纳米间距Casimir效应的研究

发布时间：2017-10-25 23:31

  本文关键词：纳米间距Casimir效应的研究

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【摘要】：1948年,H.B.G.Casimir预言了真空中两个不带电导体间存在相互作用力,该效应后被称为Casimir效应。Casimir效应是一种宏观量子效应,其在量子场论、引力与宇宙学、原子分子物理、凝聚态物理和微纳机械系统方面都起着重要的作用。当Lamoreaux第一次在实验上精确地测量出Casimir力的存在后,科学家们开始在亚微米间距下对不同材料、不同形状、不同温度下的Casimir效应进行实验检验,并取得了众多进展。随着微型机械器件的尺寸与相关间距缩小到纳米量级,Casimir效应占主导作用并影响到器件的性能,因此,进行纳米间距Casimir效应研究十分必要。此外,纳米间距的Casimir效应研究结果还可应用于对纳米间距非牛顿引力的检验。本论文使用调频原子力显微镜(Frequency Modulation Atomic Force Microscope,简称FM-AFM),在液氮温度下检测金球与镀金平面之间Casimir力的梯度。为了进行100nm以下间距的测量,我们选择了弹性系数较大的q Plus探针作为力传感器。由于Casimir力是两导体表面间的相互作用,因此Casimir力的精确测量对样品表面的平整度及表面清洁度提出了很高的要求。基于以上原因,我们在高真空环境中,在单晶硅片上用热蒸发的方法镀上金膜作为吸引质量表面。蒸镀后的硅片直接从制备室(PREP腔)传入测量室(SPM腔)避免暴露在空气中被污染。本论文初步实验结果显示:在最小间距(20nm),实验相对精度大约为4.5%(95%置信水平)。根据我们最好的实验结果,在25nm~64nm间距范围,实验值与Drude模型计算值相对偏差小于10%,而与Plasma模型的相对偏差在8.6%~61.2%,该偏差可能来源于实验中存在未被评估的其他误差。本论文工作将为下一步设计一个高精度的实验检验提供了基础。
【关键词】：Casimir效应 原子力显微镜 Lifshitz理论
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 Casimir效应8-9
• 1.2 Casimir实验进展9-14
• 1.3 本论文研究目的及意义14-16
• 1.4 硕士期间主要工作16-17
• 2 Casimir 实验方案与装置17-28
• 2.1 实验原理17-20
• 2.2 实验装置20-25
• 2.3 实验步骤25-28
• 3 数据处理与误差分析28-42
• 3.1 频率改变量随电压变化曲线的数据处理28-32
• 3.2 误差分析32-42
• 3.2.1 压强的误差分析32-35
• 3.2.2 间距的误差分析35-36
• 3.2.3 压电陶瓷管系数的标定36-42
• 4 实验结果与讨论42-56
• 4.1 计算Casimir压强——Lifshits公式43-46
• 4.1.1 用Drude模型计算Casimir压强44-45
• 4.1.2 用Plasma模型计算Casimir压强45-46
• 4.1.3 用Impedance模型计算Casimir压强46
• 4.2 表面粗糙度修正46-49
• 4.3 实验结论49-56
• 5 总结与展望56-58
• 致谢58-60
• 参考文献60-62

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本文编号：1096022