高次谐波原子力显微术力学特性表征方法研究
发布时间：2023-10-29 11:03
纳米科技经过半个世纪的快速发展,已经成为一门集前沿性、交叉性和多学科特征的新兴研究领域。在包括复合材料、生物细胞和微纳器件等领域,对能够实现无损、无标记、快速和超高分辨率成像样品表面、界面以及表面以下结构,同时能够提供关于材料力学特性信息的表征方法有着迫切的需求。面向以上需求,原子力显微镜作为近三十年来纳米科学和纳米技术发展的关键仪器之一,表现出了巨大的潜力。在其众多的模式中,基于多频模式的高次谐波原子力显微术因其具有纳米级的空间分辨率、超高力检测灵敏度等优点在特定的领域中有着重要的前景。在轻敲模式原子力显微术中,通过对微探针施加激励,使其以接近谐振状态的频率做简谐振动。当针尖与样品的间距适中时,它将在每个周期中与样品间歇式接触。由于相互作用力的存在,导致悬臂梁的振动产生非线性。这种非线性信号中包含大量与样品属性有关的高次谐波响应。高次谐波因成像简单易实现、力灵敏度高、分辨率高而受到广泛关注。本论文针对高次谐波原子力显微术在纳米力学表征及次表面结构成像中存在的相关问题,以探针振动力学为基础,主要开展了微悬臂梁动力学分析、高次谐波应用拓展和信号增强以及次表面成像能力评价等方面的研究工作。...
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 纳米力学特性表征
1.1.1 纳米压痕技术
1.1.2 基于原子力显微术的技术
1.1.3 高次谐波原子力显微术
1.2 高次谐波原子力显微术技术特点
1.2.1 技术优势
1.2.2 局限性
1.3 研究内容及章节安排
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 章节安排
第2章 多力场作用下探针振动特性分析
2.1 探针的力学特性
2.2 探针动力学模型
2.2.1 欧拉-伯努利连续梁模型
2.2.2 等效质点-弹簧系统模型
2.3 针尖-样品间相互作用力
2.3.1 长程吸引力
2.3.2 接触力学模型
2.3.3 毛细力和静电力
2.4 高次谐波原子力显微术
2.4.1 针尖在近表面的动力学
2.4.2 高次谐波产生
2.4.3 检测灵敏度
2.5 本章小结
第3章 高次谐波影响因素分析和成像应用
3.1 影响因素分析
3.1.1 调制振幅
3.1.2 驱动频率
3.1.3 激光光斑位置
3.2 高次谐波成像应用
3.2.1 纳米复合材料样品制备
3.2.2 仪器设备与探针标定
3.2.3 多相材料区分和混合比测量
3.3 本章小结
第4章 高次谐波增强的微悬臂梁优化设计
4.1 高次谐波成像中的相关问题
4.2 谐波悬臂梁的设计
4.2.1 模型建立
4.2.2 解析模型
4.2.3 频率调控灵敏度
4.2.4 频率特性调控
4.3 信号增强效果验证
4.3.1 成像测试
4.3.2 成像理论模拟分析
4.4 高加工容差谐波悬臂梁
4.4.1 高加工容差谐波梁的设计
4.4.2 可行性验证
4.5 本章小结
第5章 高次谐波次表面成像能力研究
5.1 次表面成像研究现状
5.2 高次谐波异质颗粒结构检测研究
5.2.1 异质结构样品制备
5.2.2 次表面成像实验
5.2.3 颗粒掩埋深度
5.2.4 深度检测极限
5.2.5 检测灵敏度
5.3 液体环境下高次谐波次表面成像能力研究
5.3.1 液体环境下的高次谐波
5.3.2 次表面参考样品设计
5.3.3 液相下高次谐波次表面成像实验
5.3.4 探针动力学分析
5.3.5 空穴结构简化模型
5.3.6 次表面检测深度定量分析
5.3.7 次表面成像机制
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 主要工作总结
6.1.1 本论文的主要研究内容
6.1.2 本论文主要创新点
6.2 后续工作展望
参考文献
致谢
在读期间取得的研究成果
本文编号：3857949
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 纳米力学特性表征
1.1.1 纳米压痕技术
1.1.2 基于原子力显微术的技术
1.1.3 高次谐波原子力显微术
1.2 高次谐波原子力显微术技术特点
1.2.1 技术优势
1.2.2 局限性
1.3 研究内容及章节安排
1.3.1 主要研究内容
1.3.2 章节安排
第2章 多力场作用下探针振动特性分析
2.1 探针的力学特性
2.2 探针动力学模型
2.2.1 欧拉-伯努利连续梁模型
2.2.2 等效质点-弹簧系统模型
2.3 针尖-样品间相互作用力
2.3.1 长程吸引力
2.3.2 接触力学模型
2.3.3 毛细力和静电力
2.4 高次谐波原子力显微术
2.4.1 针尖在近表面的动力学
2.4.2 高次谐波产生
2.4.3 检测灵敏度
2.5 本章小结
第3章 高次谐波影响因素分析和成像应用
3.1 影响因素分析
3.1.1 调制振幅
3.1.2 驱动频率
3.1.3 激光光斑位置
3.2 高次谐波成像应用
3.2.1 纳米复合材料样品制备
3.2.2 仪器设备与探针标定
3.2.3 多相材料区分和混合比测量
3.3 本章小结
第4章 高次谐波增强的微悬臂梁优化设计
4.1 高次谐波成像中的相关问题
4.2 谐波悬臂梁的设计
4.2.1 模型建立
4.2.2 解析模型
4.2.3 频率调控灵敏度
4.2.4 频率特性调控
4.3 信号增强效果验证
4.3.1 成像测试
4.3.2 成像理论模拟分析
4.4 高加工容差谐波悬臂梁
4.4.1 高加工容差谐波梁的设计
4.4.2 可行性验证
4.5 本章小结
第5章 高次谐波次表面成像能力研究
5.1 次表面成像研究现状
5.2 高次谐波异质颗粒结构检测研究
5.2.1 异质结构样品制备
5.2.2 次表面成像实验
5.2.3 颗粒掩埋深度
5.2.4 深度检测极限
5.2.5 检测灵敏度
5.3 液体环境下高次谐波次表面成像能力研究
5.3.1 液体环境下的高次谐波
5.3.2 次表面参考样品设计
5.3.3 液相下高次谐波次表面成像实验
5.3.4 探针动力学分析
5.3.5 空穴结构简化模型
5.3.6 次表面检测深度定量分析
5.3.7 次表面成像机制
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 主要工作总结
6.1.1 本论文的主要研究内容
6.1.2 本论文主要创新点
6.2 后续工作展望
参考文献
致谢
在读期间取得的研究成果
本文编号：3857949
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3857949.html
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