轻敲模式AFM单晶硅针尖磨损机理的分子动力学仿真和实验研究
发布时间：2021-02-08 20:52
原子力显微镜的轻敲模式作为纳米尺度表面形貌测量的重要手段,因其能够消除横向力,减小对样品的损害而应用广泛。但是针尖在敲击样品时往往产生磨损,进而导致横向测量分辨率降低。已有研究表明轻敲模式测量时振幅设定点、自由振幅等扫描参数和针尖冲击都会通过改变敲击时的动能影响单晶硅针尖的磨损,但轻敲模式下的磨损机理尚不明确。因此本文采用分子动力学仿真与实验相结合的方法,从轻敲测量特有的探针受力特征——敲击动能入手对轻敲模式下原子力显微镜单晶硅探针的磨损机理开展了研究,主要内容如下:（1）本文结合仿真尺度和探针工作特点,建立了适合轻敲模式的三维分子动力学仿真模型,并且通过模拟分析发现,不同质量、相同动能的单晶硅针尖敲击时,针尖的变形量和动能损失都相同,验证了所建分子动力学仿真模型正确可靠。（2）仿真研究了单次敲击下动能对单晶硅针尖磨损的影响,结合单次敲击时针尖整体变形与微观结构的变化规律,揭示了基于动能的轻敲模式下单晶硅针尖的磨损机理:低动能接触面的Atom-by-atom磨损机理;高动能的受相变及位错作用的塑性变形及边缘脆性断裂磨损。（3）基于实际测量特点,通过仿真探究了多次敲击对针尖磨损的作用规律...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 AFM针尖磨损的国内外研究现状
1.2.1 接触模式针尖磨损的研究
1.2.2 轻敲模式针尖磨损的研究
1.2.3 目前研究的不足
1.3 分子动力学模拟在纳米切削中的应用
1.4 本文主要研究内容
第2章 单晶硅针尖分子动力学建模与分析
2.1 引言
2.2 分子动力学基本原理与数据处理
2.2.1 分子动力学原理
2.2.2 数据处理方法的确定
2.3 单晶硅针尖MD模型构建
2.3.1 针尖模型的建立
2.3.2 势能函数的选取
2.3.3 弛豫分析及敲击过程作用力分析
2.4 相同动能针尖敲击效果的验证分析
2.5 本章小结
第3章 动能对单晶硅针尖磨损的作用机理研究
3.1 引言
3.2 不同动能单晶硅针尖与硬性样品敲击的模拟仿真方案
3.3 敲击中单晶硅针尖整体结构变形分析
3.3.1 敲击中针尖的变形和磨损面形成过程
3.3.2 敲击后针尖的变形量分析
3.3.3 基于整体变形的RDF分析
3.4 敲击中单晶硅针尖内部微结构演变分析
3.4.1 晶格变形分析
3.4.2 单晶硅针尖的晶态相变分析
3.4.3 单晶硅针尖的位错分析
3.5 本章小结
第4章 单晶硅针尖初次敲击对二次敲击中针尖磨损的影响研究
4.1 引言
4.2 低动能的初次敲击对二次敲击的影响
4.3 中等动能的初次敲击对二次敲击的影响
4.4 高动能的初次敲击对二次敲击的影响
4.5 本章小结
第5章 轻敲模式测量中单晶硅针尖的动能对磨损影响的实验研究
5.1 引言
5.2 实验原理及实验方案
5.2.1 磨损后针尖钝圆半径的连续在线评估方法
5.2.2 粘滞力的AFM测量及评估针尖磨损形貌的研究
5.2.3 实验方案
5.3 实验结果及数据分析
5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ovito在材料科学基础晶界重位点阵模型教学中的应用[J]. 隆小江. 课程教育研究. 2018(35)
[2]分子动力学模拟基本原理及其应用[J]. 李煌,鲁红权,陈钦煌,张宏伟,周叶琪,童小宝. 科技视界. 2018(05)
[3]金属铜纳米切削的分子动力学模拟[J]. 宿昊,唐兴龄,陈岑. 工具技术. 2018(01)
[4]分子动力学可视化建模方法研究[J]. 程义林,黄志刚,曹晋. 机电工程技术. 2017(09)
[5]轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散[J]. 魏征,孙岩,王再冉,王克俭,许向红. 力学学报. 2017(06)
[6]单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究[J]. 朱宝义,吕明,梁国星,黄永贵. 摩擦学学报. 2017(06)
[7]纳米加工技术中分子动力学的应用[J]. 邱旭民. 科技风. 2017(08)
[8]单晶硅多次加工时的亚表面损伤仿真分析[J]. 郭晓光,李洋,翟昌恒,康仁科,金洙吉. 中国科技论文. 2017(04)
[9]肉眼看微观世界:VMD软件在蛋白质结构教学中的应用[J]. 郑荣珍,严思仪,刘亚男,杜芬芬,蔡开聪. 化学教育. 2016(12)
[10]材料微观结构演化大规模分子动力学软件比较[J]. 聂宁明,胡长军,张云泉,贺新福,张博尧,李士刚. 计算机科学与探索. 2017(03)
博士论文
[1]原子力显微镜针尖－表面相互作用分子动力学仿真研究[D]. 窦建华.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]考虑针尖磨损的提高AFM测量精度的方法研究[D]. 冯世绪.燕山大学 2018
[2]纳米加工晶体铜中亚表层缺陷演变及力学性能研究[D]. 朱秀福.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于AFM系统的振动辅助加工实验研究[D]. 李豪.哈尔滨工业大学 2017
[4]基于MD方法的石英玻璃纳米级加工机理研究[D]. 刘涛.大连理工大学 2017
[5]基于位错理论的单晶硅纳米切削脆塑转变过程的仿真研究[D]. 刘晓玄.燕山大学 2017
[6]基于分子动力学的金属铝纳米切削过程研究[D]. 樊虎.沈阳航空航天大学 2017
[7]分子动力学中晶体位错的三维可视化研究与实现[D]. 宁媛.西安建筑科技大学 2014
[8]微纳尺度接触和摩擦过程力学行为分子动力学及多尺度模拟研究[D]. 詹胜鹏.昆明理工大学 2013
本文编号：3024517
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 AFM针尖磨损的国内外研究现状
1.2.1 接触模式针尖磨损的研究
1.2.2 轻敲模式针尖磨损的研究
1.2.3 目前研究的不足
1.3 分子动力学模拟在纳米切削中的应用
1.4 本文主要研究内容
第2章 单晶硅针尖分子动力学建模与分析
2.1 引言
2.2 分子动力学基本原理与数据处理
2.2.1 分子动力学原理
2.2.2 数据处理方法的确定
2.3 单晶硅针尖MD模型构建
2.3.1 针尖模型的建立
2.3.2 势能函数的选取
2.3.3 弛豫分析及敲击过程作用力分析
2.4 相同动能针尖敲击效果的验证分析
2.5 本章小结
第3章 动能对单晶硅针尖磨损的作用机理研究
3.1 引言
3.2 不同动能单晶硅针尖与硬性样品敲击的模拟仿真方案
3.3 敲击中单晶硅针尖整体结构变形分析
3.3.1 敲击中针尖的变形和磨损面形成过程
3.3.2 敲击后针尖的变形量分析
3.3.3 基于整体变形的RDF分析
3.4 敲击中单晶硅针尖内部微结构演变分析
3.4.1 晶格变形分析
3.4.2 单晶硅针尖的晶态相变分析
3.4.3 单晶硅针尖的位错分析
3.5 本章小结
第4章 单晶硅针尖初次敲击对二次敲击中针尖磨损的影响研究
4.1 引言
4.2 低动能的初次敲击对二次敲击的影响
4.3 中等动能的初次敲击对二次敲击的影响
4.4 高动能的初次敲击对二次敲击的影响
4.5 本章小结
第5章 轻敲模式测量中单晶硅针尖的动能对磨损影响的实验研究
5.1 引言
5.2 实验原理及实验方案
5.2.1 磨损后针尖钝圆半径的连续在线评估方法
5.2.2 粘滞力的AFM测量及评估针尖磨损形貌的研究
5.2.3 实验方案
5.3 实验结果及数据分析
5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ovito在材料科学基础晶界重位点阵模型教学中的应用[J]. 隆小江. 课程教育研究. 2018(35)
[2]分子动力学模拟基本原理及其应用[J]. 李煌,鲁红权,陈钦煌,张宏伟,周叶琪,童小宝. 科技视界. 2018(05)
[3]金属铜纳米切削的分子动力学模拟[J]. 宿昊,唐兴龄,陈岑. 工具技术. 2018(01)
[4]分子动力学可视化建模方法研究[J]. 程义林,黄志刚,曹晋. 机电工程技术. 2017(09)
[5]轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散[J]. 魏征,孙岩,王再冉,王克俭,许向红. 力学学报. 2017(06)
[6]单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究[J]. 朱宝义,吕明,梁国星,黄永贵. 摩擦学学报. 2017(06)
[7]纳米加工技术中分子动力学的应用[J]. 邱旭民. 科技风. 2017(08)
[8]单晶硅多次加工时的亚表面损伤仿真分析[J]. 郭晓光,李洋,翟昌恒,康仁科,金洙吉. 中国科技论文. 2017(04)
[9]肉眼看微观世界:VMD软件在蛋白质结构教学中的应用[J]. 郑荣珍,严思仪,刘亚男,杜芬芬,蔡开聪. 化学教育. 2016(12)
[10]材料微观结构演化大规模分子动力学软件比较[J]. 聂宁明,胡长军,张云泉,贺新福,张博尧,李士刚. 计算机科学与探索. 2017(03)
博士论文
[1]原子力显微镜针尖－表面相互作用分子动力学仿真研究[D]. 窦建华.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]考虑针尖磨损的提高AFM测量精度的方法研究[D]. 冯世绪.燕山大学 2018
[2]纳米加工晶体铜中亚表层缺陷演变及力学性能研究[D]. 朱秀福.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于AFM系统的振动辅助加工实验研究[D]. 李豪.哈尔滨工业大学 2017
[4]基于MD方法的石英玻璃纳米级加工机理研究[D]. 刘涛.大连理工大学 2017
[5]基于位错理论的单晶硅纳米切削脆塑转变过程的仿真研究[D]. 刘晓玄.燕山大学 2017
[6]基于分子动力学的金属铝纳米切削过程研究[D]. 樊虎.沈阳航空航天大学 2017
[7]分子动力学中晶体位错的三维可视化研究与实现[D]. 宁媛.西安建筑科技大学 2014
[8]微纳尺度接触和摩擦过程力学行为分子动力学及多尺度模拟研究[D]. 詹胜鹏.昆明理工大学 2013
本文编号：3024517
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