AFM探针针尖半径变化影响纳米尺度表面检测的研究

发布时间：2017-07-18 01:24

  本文关键词：AFM探针针尖半径变化影响纳米尺度表面检测的研究

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【摘要】：原子力显微镜(Atomiac Force Microscopy, AFM)是超精密的机械电子设备,是典型的光机电一体化装置。在机械领域,可应用于超精密加工表面的微观形貌检测,在微机电系统领域,可应用于纳米力学性能的检测。但是在原子力显微镜表面检测中,针尖在试件表面接触与扫描,探针针尖会不可避免的产生磨损,而且原子力显微镜尖锐的针尖非常容易磨损,使得探针针尖曲率半径发生变化,针尖曲率半径反映了磨损程度。随着针尖曲率半径的变化,一方面对针尖与表面的作用力产生影响,即对表面检测力产生影响；另一方面对表面几何形貌的检测产生影响。因此,探针的磨损直接影响到表面测量的精度和成像质量。有必要研究原子力显微镜探针针尖磨损后,不同曲率半径的针尖与表面间的作用力变化规律和对表面几何形貌检测的影响。本课题选题来源于国家自然科学基金项目：“微机械摩擦副接触力学行为多尺度耦合分析方法研究”。研究由于原子力显微镜探针针尖的磨损,不同曲率半径的探针针尖(代表不同磨损程度的探针)与表面间纳米尺度接触过程作用力的变化规律和对表面几何形貌检测的影响。首先,在分析原子力显微镜工作原理和纳米接触力计算模型基础上,根据Hamaker假设,利用连续介质方法,建立了针尖同试样表面在接近过程中的纳米接触力计算模型；根据Hertzian接触理论,建立了针尖同试样表面在接触压入过程中的接触力的计算模型。通过叠加计算,获得了耦合接近过程和接触压入过程中的接触力计算方法。根据计算模型,利用Matlab编程计算获得了针尖与试样表面纳米接触作用力的变化规律。其次,分子动力学方法是一种描述微观现象的有效方法。采用分子动力学方法可从原子尺度进行分析,论文采用分子动力学模拟方法研究了不同曲率半径针尖与单晶铜试件表面接触过程中的接触作用力变化的规律,分析了在一定接触深度下,不同曲率半径探针作用下接触作用力的变化规律,分析了接触过程中试件表面层原子状态的变化情况,从而反映接触力变化的原因和机制。最后,开展了原子力显微镜探针磨损对表面检测影响的实验研究,研究探针磨损后,不同曲率半径的探针针尖对表面检测质量及表面接触作用力的影响。选用不同曲率半径针尖分别检测不同晶向的单晶铜及单晶硅试件表面,并用表面粗糙度轮廓参数评价检测结果,研究不同曲率半径针尖(代表不同磨损程度的针尖)对于表面质量检测的影响。同时,通过实验获取力曲线,研究测定的力曲线与力位移曲线、力距离曲线间的相互转化问题。从转化后的力-距离曲线中,获取针尖靠近样品表面时第一次突跳位置距离的变化情况,获得不同针尖曲率半径与样品表面接触力的变化规律。
【关键词】：AFM AFM针尖半径 接触力 分子动力学 力曲线
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景及研究意义12-13
• 1.2 原子力显微镜13-18
• 1.2.1 原子力显微镜简介14-15
• 1.2.2 原子力显微镜的工作原理15-16
• 1.2.3 原子力显微镜的工作模式16-17
• 1.2.4 原子力显微镜微悬臂弹性常数的测定17-18
• 1.3 国内外研究现状18-21
• 1.3.1 原子力显微镜在机械超精密加工和测量中的应用18-19
• 1.3.2 原子力显微镜探针针尖磨损的研究现状19-21
• 1.4 本文主要研究内容21-23
• 1.5 本文研究技术路线23-24
• 第二章 探针针尖半径变化影响针尖与试件表面作用力的理论计算24-42
• 2.1 引言24
• 2.2 原子力显微镜探针针尖与表面的作用力分析24-25
• 2.3 原子力显微镜探针针尖与表面接近过程的作用力25-30
• 2.4 接触力学理论与模型30-32
• 2.5 探针针尖与表面作用力的理论计算32-40
• 2.5.1 纳米接触力计算模型简化32-33
• 2.5.2 接近过程的纳米接触力计算33-37
• 2.5.3 接触压入过程的接触力计算37-39
• 2.5.4 耦合计算39-40
• 2.6 本章小结40-42
• 第三章 探针针尖半径变化影响表面几何形貌检测的理论分析42-52
• 3.1 引言42
• 3.2 探针针尖曲率半径对表面几何形貌检测影响的分析42-44
• 3.2.1 不同半径圆锥型针尖对表面几何形貌检测影响的分析42-43
• 3.2.2 不同半径球形针尖对表面几何形貌检测影响的分析43-44
• 3.3 探针针尖曲率半径对表面几何形貌检测影响的Matlab仿真44-51
• 3.3.1 纳米光栅台阶结构的matlab仿真44-49
• 3.3.2 球型表面结构检测的matlab仿真49-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 不同曲率半径针尖接触过程的分子动力学模拟研究52-70
• 4.1 引言52
• 4.2 分子动力学模拟方法理论52-60
• 4.2.1 分子动力学模拟方法的基本思想和理论52-53
• 4.2.2 分子动力学模拟方法的势函数及边界条件53-56
• 4.2.3 分子动力学模拟方法的截断半径方法及邻域列表法56-57
• 4.2.4 分子动力学模拟方法的控温方法57-58
• 4.2.5 分子动力学模拟方法的运动方程及求解58-60
• 4.2.6 分子动力学模拟结果的处理60
• 4.3 AFM探针针尖与试样表面接触过程的分子动力学模拟60-68
• 4.3.1 分子动力学模型60-62
• 4.3.2 结果与讨论62-68
• 4.4 本章小结68-70
• 第五章 AFM探针针尖半径变化影响纳米尺度表面检测的实验研究70-86
• 5.1 引言70
• 5.2 实验仪器与方法70-72
• 5.3 不同曲率半径探针针尖对力曲线影响的实验研究72-79
• 5.3.1 原子力显微镜力位移曲线72-73
• 5.3.2 力-位移曲线与力-距离曲线之间的转化73-75
• 5.3.3 实验结果与分析75-79
• 5.4 不同曲率半径探针针尖对样品表面形貌检测的实验79-85
• 5.4.1 表面粗糙度轮廓参数表面评价方法79-80
• 5.4.2 单晶铜表面形貌检测的实验结果与分析80-83
• 5.4.3 单晶硅表面形貌检测的实验结果与分析83-85
• 5.5 本章小结85-86
• 第六章 全文工作结论与展望86-88
• 6.1 本文主要工作与结论86-87
• 6.2 本文主要创新点87
• 6.3 后续工作建议与展望87-88
• 致谢88-90
• 参考文献90-94
• 附录A：攻读硕士学位期间科研成果94

【参考文献】

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本文编号：555450