本文關鍵詞：AFM探針針尖半徑變化影響納米尺度表面檢測的研究

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【摘要】：原子力顯微鏡(Atomiac Force Microscopy, AFM)是超精密的機械電子設備,是典型的光機電一體化裝置。在機械領域,可應用于超精密加工表面的微觀形貌檢測,在微機電系統(tǒng)領域,可應用于納米力學性能的檢測。但是在原子力顯微鏡表面檢測中,針尖在試件表面接觸與掃描,探針針尖會不可避免的產(chǎn)生磨損,而且原子力顯微鏡尖銳的針尖非常容易磨損,使得探針針尖曲率半徑發(fā)生變化,針尖曲率半徑反映了磨損程度。隨著針尖曲率半徑的變化,一方面對針尖與表面的作用力產(chǎn)生影響,即對表面檢測力產(chǎn)生影響；另一方面對表面幾何形貌的檢測產(chǎn)生影響。因此,探針的磨損直接影響到表面測量的精度和成像質(zhì)量。有必要研究原子力顯微鏡探針針尖磨損后,不同曲率半徑的針尖與表面間的作用力變化規(guī)律和對表面幾何形貌檢測的影響。本課題選題來源于國家自然科學基金項目：“微機械摩擦副接觸力學行為多尺度耦合分析方法研究”。研究由于原子力顯微鏡探針針尖的磨損,不同曲率半徑的探針針尖(代表不同磨損程度的探針)與表面間納米尺度接觸過程作用力的變化規(guī)律和對表面幾何形貌檢測的影響。首先,在分析原子力顯微鏡工作原理和納米接觸力計算模型基礎上,根據(jù)Hamaker假設,利用連續(xù)介質(zhì)方法,建立了針尖同試樣表面在接近過程中的納米接觸力計算模型；根據(jù)Hertzian接觸理論,建立了針尖同試樣表面在接觸壓入過程中的接觸力的計算模型。通過疊加計算,獲得了耦合接近過程和接觸壓入過程中的接觸力計算方法。根據(jù)計算模型,利用Matlab編程計算獲得了針尖與試樣表面納米接觸作用力的變化規(guī)律。其次,分子動力學方法是一種描述微觀現(xiàn)象的有效方法。采用分子動力學方法可從原子尺度進行分析,論文采用分子動力學模擬方法研究了不同曲率半徑針尖與單晶銅試件表面接觸過程中的接觸作用力變化的規(guī)律,分析了在一定接觸深度下,不同曲率半徑探針作用下接觸作用力的變化規(guī)律,分析了接觸過程中試件表面層原子狀態(tài)的變化情況,從而反映接觸力變化的原因和機制。最后,開展了原子力顯微鏡探針磨損對表面檢測影響的實驗研究,研究探針磨損后,不同曲率半徑的探針針尖對表面檢測質(zhì)量及表面接觸作用力的影響。選用不同曲率半徑針尖分別檢測不同晶向的單晶銅及單晶硅試件表面,并用表面粗糙度輪廓參數(shù)評價檢測結(jié)果,研究不同曲率半徑針尖(代表不同磨損程度的針尖)對于表面質(zhì)量檢測的影響。同時,通過實驗獲取力曲線,研究測定的力曲線與力位移曲線、力距離曲線間的相互轉(zhuǎn)化問題。從轉(zhuǎn)化后的力-距離曲線中,獲取針尖靠近樣品表面時第一次突跳位置距離的變化情況,獲得不同針尖曲率半徑與樣品表面接觸力的變化規(guī)律。
【關鍵詞】：AFM AFM針尖半徑 接觸力 分子動力學 力曲線
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 課題研究背景及研究意義12-13
• 1.2 原子力顯微鏡13-18
• 1.2.1 原子力顯微鏡簡介14-15
• 1.2.2 原子力顯微鏡的工作原理15-16
• 1.2.3 原子力顯微鏡的工作模式16-17
• 1.2.4 原子力顯微鏡微懸臂彈性常數(shù)的測定17-18
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-21
• 1.3.1 原子力顯微鏡在機械超精密加工和測量中的應用18-19
• 1.3.2 原子力顯微鏡探針針尖磨損的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容21-23
• 1.5 本文研究技術路線23-24
• 第二章 探針針尖半徑變化影響針尖與試件表面作用力的理論計算24-42
• 2.1 引言24
• 2.2 原子力顯微鏡探針針尖與表面的作用力分析24-25
• 2.3 原子力顯微鏡探針針尖與表面接近過程的作用力25-30
• 2.4 接觸力學理論與模型30-32
• 2.5 探針針尖與表面作用力的理論計算32-40
• 2.5.1 納米接觸力計算模型簡化32-33
• 2.5.2 接近過程的納米接觸力計算33-37
• 2.5.3 接觸壓入過程的接觸力計算37-39
• 2.5.4 耦合計算39-40
• 2.6 本章小結(jié)40-42
• 第三章 探針針尖半徑變化影響表面幾何形貌檢測的理論分析42-52
• 3.1 引言42
• 3.2 探針針尖曲率半徑對表面幾何形貌檢測影響的分析42-44
• 3.2.1 不同半徑圓錐型針尖對表面幾何形貌檢測影響的分析42-43
• 3.2.2 不同半徑球形針尖對表面幾何形貌檢測影響的分析43-44
• 3.3 探針針尖曲率半徑對表面幾何形貌檢測影響的Matlab仿真44-51
• 3.3.1 納米光柵臺階結(jié)構(gòu)的matlab仿真44-49
• 3.3.2 球型表面結(jié)構(gòu)檢測的matlab仿真49-51
• 3.4 本章小結(jié)51-52
• 第四章 不同曲率半徑針尖接觸過程的分子動力學模擬研究52-70
• 4.1 引言52
• 4.2 分子動力學模擬方法理論52-60
• 4.2.1 分子動力學模擬方法的基本思想和理論52-53
• 4.2.2 分子動力學模擬方法的勢函數(shù)及邊界條件53-56
• 4.2.3 分子動力學模擬方法的截斷半徑方法及鄰域列表法56-57
• 4.2.4 分子動力學模擬方法的控溫方法57-58
• 4.2.5 分子動力學模擬方法的運動方程及求解58-60
• 4.2.6 分子動力學模擬結(jié)果的處理60
• 4.3 AFM探針針尖與試樣表面接觸過程的分子動力學模擬60-68
• 4.3.1 分子動力學模型60-62
• 4.3.2 結(jié)果與討論62-68
• 4.4 本章小結(jié)68-70
• 第五章 AFM探針針尖半徑變化影響納米尺度表面檢測的實驗研究70-86
• 5.1 引言70
• 5.2 實驗儀器與方法70-72
• 5.3 不同曲率半徑探針針尖對力曲線影響的實驗研究72-79
• 5.3.1 原子力顯微鏡力位移曲線72-73
• 5.3.2 力-位移曲線與力-距離曲線之間的轉(zhuǎn)化73-75
• 5.3.3 實驗結(jié)果與分析75-79
• 5.4 不同曲率半徑探針針尖對樣品表面形貌檢測的實驗79-85
• 5.4.1 表面粗糙度輪廓參數(shù)表面評價方法79-80
• 5.4.2 單晶銅表面形貌檢測的實驗結(jié)果與分析80-83
• 5.4.3 單晶硅表面形貌檢測的實驗結(jié)果與分析83-85
• 5.5 本章小結(jié)85-86
• 第六章 全文工作結(jié)論與展望86-88
• 6.1 本文主要工作與結(jié)論86-87
• 6.2 本文主要創(chuàng)新點87
• 6.3 后續(xù)工作建議與展望87-88
• 致謝88-90
• 參考文獻90-94
• 附錄A：攻讀碩士學位期間科研成果94

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 張平余,劉維民,薛群基;薄膜形貌的AFM觀察[J];電子顯微學報;2000年04期

2 鄭杰允;鄭浩;汪銳;李泓;陳立泉;;力曲線用于硅負極材料表面膜的研究[J];電化學;2013年06期

3 靳京城;金春水;鄧文淵;喻波;;超光滑光學基底表面原子力顯微鏡測試方法[J];中國激光;2011年11期

4 華杰,徐盛明,徐景明,朱國才,池汝安,時文中;原子力顯微鏡測定力-距離曲線的原理和應用[J];金屬礦山;2003年01期

5 許中明;黃平;;用力-距離曲線標定原子力顯微鏡力測量系數(shù)的研究[J];潤滑與密封;2007年02期

6 王德國,高芒來,張嗣偉;利用原子力顯微鏡測量石英巖表面分子沉積膜的粘附力[J];石油大學學報(自然科學版);1999年04期

7 王哲;郝鋒濤;陳曉虎;楊周岐;丁沖;商澎;;原子力顯微鏡壓痕曲線分析方法的比較研究[J];生物醫(yī)學工程學雜志;2014年05期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 高思田;計量型原子力顯微鏡的研究[D];天津大學;2007年

2 王岳宇;AFM恒力模式下傾角和摩擦力對測量結(jié)果影響的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2008年

3 竇建華;原子力顯微鏡針尖－表面相互作用分子動力學仿真研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 詹勝鵬;微納尺度接觸和摩擦過程力學行為分子動力學及多尺度模擬研究[D];昆明理工大學;2013年

2 楊延婷;基于AFM和DIC的探針納米尺度磨損實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

3 方聰聰;晶體鋁納米接觸與摩擦行為的多尺度與有限元分析研究[D];昆明理工大學;2014年

4 楊小江;單晶銅納米接觸過程分子動力學及多尺度模擬研究[D];昆明理工大學;2014年

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本文編號：555450