超声原子力显微镜的微观力学性能仿真研究

发布时间：2017-10-13 14:17

  本文关键词：超声原子力显微镜的微观力学性能仿真研究

  更多相关文章： 超声原子力显微镜 悬臂梁 动态特性 有限元分析 针尖样品接触刚度

【摘要】：近年来,随着微电子、微机械和材料科学的飞速发展,人们对微纳米尺度的成像和检测技术要求越来越高。传统的成像和检测技术已经不能满足我们在纳米尺度范围内的观察和测量。具有纳米级别超高分辨率的成像检测技术已经变成了一个挑战,并且它影响着我们对很多材料微观结构和性质的研究。传统的声学和光学检测技术分辨率比较低,只能达到微米级。原子力显微镜和扫描探针显微镜只能对样品的表面进行成像,而不能对样品的亚表面或内部进行成像。超声原子力显微镜具有纳米级别的超高分辨率和三维成像能力,不仅可以对样品表面进行成像,还可以对样品内部进行成像,并且测量样品材料的弹性模量和接触刚度等力学性能。本文围绕超声原子力显微镜展开以下几方面的工作：(1)介绍了超声原子力显微镜相关的理论,包括针尖样品接触理论,局域接触刚度模型；建立悬臂梁的动力学理论模型,求解得到自由振动状态和接触样品时悬臂梁系统的特征方程和谐振频率；根据赫兹理论模型求解针尖样品接触时的接触刚度；推导出超声原子力显微镜发出的超声波因样品内部混有其它杂质而产生的波的相位的变化量。介绍了应用超声原子力显微镜如何测量样品材料弹性模量的方法,并且介绍了在已知样品弹性模量的条件下如何获得悬臂梁的动态响应特性的方法。(2)建立悬臂梁探针样品系统简化模型的有限元模型,对不同状态下悬臂梁的动态特性进行有限元分析,包括对悬臂梁进行了自由振动状态下的模态分析和受载荷作用状态下的谐响应分析。自由振动状态下的模态分析得到悬臂梁的前三阶振型和固有频率。载荷作用下的谐响应分析分析了不同作用载荷,不同接触刚度,不同针尖位置对悬臂梁一阶谐振频谱的影响,包括对一阶谐振频率大小和振幅的影响。得到不同样品材料的一阶谐振频率以及同种样品材料在针尖压入样品深度不同时的一阶谐振频率的变化。(3)建立了与针尖相接触的样品的简化模型,用ANSYS有限元的方法对其进行了静力学仿真,得到针尖样品接触表面接触刚度的分布。分别仿真了不同作用载荷、不同内部结构深度、不同内部结构尺寸、不同内部结构形状、不同样品材料弹性模量等情况下针尖和样品接触的形变及刚度分布的变化,得到这些单一量变化对针尖样品接触刚度分布的影响；分析了两个量同时变化时针尖样品接触表面中心点的形变及接触刚度的变化,得到两者同时变化时对针尖样品接触刚度的影响。
【关键词】：超声原子力显微镜 悬臂梁 动态特性 有限元分析 针尖样品接触刚度
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 引言13-14
• 1.2 原子力显微镜简介14-21
• 1.3 超声原子力显微镜的国内外研究现状21-25
• 1.4 课题研究目的及论文主要内容25-27
• 第2章 超声原子力显微镜的基本理论27-40
• 2.1 针尖样品相互作用的基本理论27-31
• 2.1.1 针尖样品接触理论27-28
• 2.1.2 局域接触刚度模型28-29
• 2.1.3 赫兹模型29-31
• 2.2 悬臂梁动力学理论模型31-36
• 2.2.1 悬臂梁自由状态下的振动模型31-33
• 2.2.2 悬臂梁与样品接触时的振动模型33-36
• 2.3 超声波振幅与相位的变化36-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第3章 悬臂梁的动态特性分析40-51
• 3.1 ANSYS有限元法简介40-41
• 3.2 悬臂梁自由振动模态分析41-43
• 3.3 悬臂梁的谐响应分析43-49
• 3.3.1 作用载荷不同对频谱的影响45-47
• 3.3.2 接触刚度不同对频谱的影响47-48
• 3.3.3 不同针尖位置对频谱的影响48-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 样品接触刚度有限元分析51-62
• 4.1 单一量变化对接触刚度的影响51-57
• 4.1.1 作用载荷大小变化52-53
• 4.1.2 内部结构位置变化53-54
• 4.1.3 内部结构尺寸变化54-55
• 4.1.4 内部结构形状变化55-56
• 4.1.5 内部结构材料选择不同56-57
• 4.2 两者同时变化时接触刚度变化57-60
• 4.2.1 内部结构材料的尺寸和位置同时变化57-58
• 4.2.2 内部结构尺寸和材料弹性模量同时变化58-59
• 4.2.3 内部结构位置和材料弹性模量同时变化59-60
• 4.3 本章小结60-62
• 第5章 总结与展望62-65
• 5.1 论文的主要内容62-64
• 5.2 未来工作展望64-65
• 参考文献65-71
• 攻读学位期间发表的学术论文目录71-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 陈注里;李英姿;钱建强;阳睿;;原子力显微镜的几种成像模式简介[J];电子显微学报;2013年02期

2 何存富;张改梅;吴斌;;Quantitative measurement of local elasticity of SiO_x film by atomic force acoustic microscopy[J];Chinese Physics B;2010年08期

3 张杰;李疆;翁海珊;;原子力显微镜的力曲线分析与转化[J];机械;2007年12期

4 朱杰,孙润广;原子力显微镜的基本原理及其方法学研究[J];生命科学仪器;2005年01期

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本文编号：1025302