液桥形成与破碎的动力学过程研究

发布时间：2017-09-13 16:34

  本文关键词：液桥形成与破碎的动力学过程研究

  更多相关文章： 原子力显微镜 液桥形成 液桥破碎 毛细力 耗散能

【摘要】：原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)以针尖-样品之间的相互作用力作为成像信号,打破了传统光学显微镜最高放大倍数受光波波长限制的局面,其扫描图像的最高分辨率可达0.01nm,撬开了微纳米世界的大门。但是在大气环境下,AFM针尖与样品间会形成液桥。液桥引起的毛细力会影响微悬臂梁的变形,从而引起高度像失真。另外,AFM轻敲模式下,针-样分离拉伸液桥直至破碎产生的耗散能也影响着相位像的成像质量。为了剔除液桥引起的赝像,本论文研究了针-样间液桥形成与破碎的动力学过程。首先,本论文提出了针-样间液桥形成的三种机理,即液膜挤出、水气凝结和液膜流动。在相对湿度65%的条件下,用数值模拟的方法分别计算了液膜挤出、水气凝结和液膜流动三种液桥形成机理的特征平衡时间和液桥体积。从特征时间的角度讨论了AFM不同工作模式下的液桥生成特点。其次,本论文从力学和热力学的角度分别数值计算了液桥拉伸过程中的毛细力和液桥破碎引起的耗散能,两种不同的方法得出了较为一致的结论,相互验证了理论计算的正确性。针-样间耗散能随相对湿度增大而增大,耗散能在100nN·nm量级。针-样间最大毛细力随相对湿度先增大后减小,极值点位于相对湿度80%附近,毛细力在10nN量级。在相对湿度一定的条件下,毛细力随针-样间距离的增加而减小。最后,本论文通过轻敲模式下AFM扫频实验,测量了不同相对湿度下微悬臂梁的耗散能(无量纲化),实验测量结果与理论计算结论一致,从而验证了液桥形成机理与破碎模型及相关计算的正确性。
【关键词】：原子力显微镜 液桥形成 液桥破碎 毛细力 耗散能
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 绪论16-24
• 1.1 课题来源16
• 1.2 引言16-17
• 1.3 原子力显微镜结构与工作原理17-18
• 1.4 液桥的基本概念18-19
• 1.5 液桥对原子力显微镜成像质量的影响19-20
• 1.6 国内外研究现状20-21
• 1.7 本论文的主要研究内容21-24
• 第二章 液桥形成的动力学过程分析与计算24-40
• 2.1 挤出模型的建立与计算24-28
• 2.1.1 挤出模型24
• 2.1.2 液膜厚度讨论24-26
• 2.1.3 液桥挤出形成特征时间与体积26-28
• 2.2 凝结模型的建立与计算28-32
• 2.2.1 水蒸气凝结模型28
• 2.2.2 水蒸气凝结形成液桥的特征时间与体积28-32
• 2.3 流动模型的建立与计算32-36
• 2.3.1 液膜流动模型32-33
• 2.3.2 液膜流动形成液桥的特征时间与体积33-36
• 2.4 AFM中液桥生成模型讨论36-39
• 2.4.1 接触模式36-37
• 2.4.2 非接触模式37
• 2.4.3 轻敲模式37-38
• 2.4.4 力-曲线模式38-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 液桥破碎的动力学过程分析与计算40-58
• 3.1 液桥破碎模型40-41
• 3.2 液桥破碎过程中毛细力的计算41-50
• 3.2.1 毛细力的力学计算方法与结果41-46
• 3.2.2 毛细力的热力学计算方法与结果46-50
• 3.3 耗散能50-53
• 3.3.1 耗散能的力学计算方法与结果51
• 3.3.2 耗散能的热力学计算方法与结果51-52
• 3.3.3 力学和热力学两种计算方法的讨论52-53
• 3.4 湿度对液桥的影响及最大毛细力和耗散能计算53-55
• 3.5 液桥对原子力显微镜成像质量影响分析55-56
• 3.6 本章小结56-58
• 第四章 原子力显微镜微悬臂梁耗散能的实验测量58-66
• 4.1 实验目的58
• 4.2 实验原理58-60
• 4.3 实验设备60-62
• 4.4 实验方法62
• 4.5 实验结果与分析62-64
• 4.6 小结64-66
• 第五章 结论与展望66-68
• 5.1 结论66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 附录72-78
• 附录1 液桥面积的计算72
• 附录Ⅱ 液桥体积的计算72-78
• 致谢78-80
• 研究成果及发表的学术论文80-82
• 作者与导师简介82-83
• 附件83-84

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本文编号：844813