纳米尺度下非接触表面间相互作用特性的研究

摘要

近年来,随着材料科学和微型制造加工技术的不断进步,微/纳尺度器件的应用越来越广泛。由于微尺度效应,微器件或微系统中微构件间的相互作用机理和作用方式不同于宏观零部件间的相互作用,许多传统理论已不再适用。非接触表面摩擦的研究拓宽了传统接触摩擦学的研究范围,对显微镜分辨率的提高、微小力的测量以及微/纳机电系统的设计具有重要意义。
　　 本文在明确非接触表面摩擦研究范围和意义的基础上,利用分子动力学方法研究纳米尺度下非接触运动表面间的相互作用特性,为微/纳器件的设计和非接触表面摩擦的深入研究提供理论依据。
　　 首先,将涨落电磁场作为真空中能量传输的主要途径,分析了微/纳尺度下非接触表面间存在的范德华作用、Casimir效应和热辐射等三种相互作用的特点。
　　 其次,利用分子动力学方法建立了纳米间距的表面模型,研究了相对接近地非接触表面间的相互作用特性。结果表明,当间距由20(A)减小到8(A)时,相互作用强度无明显变化,但当间距继续减小到7(A)以下时,作用强度不断减弱。而且,温度越低,表面间的排斥作用越弱,当温度达到10K时,作用特性由排斥性变为吸引性。另外,表面沟槽和表面粗糙度的大小也对作用强度有影响,而相对靠近的速度对相互作用的影响则可以忽略。
　　 再次,研究了纳米间距的非接触表面发生侧向运动时的相互作用特性。结果表明,温度对相互作用的影响最为明显,且排斥性的作用强度在间距为20(A)、5(A)和3(A)的情况下不断变弱。表面粗糙度越大,表面间的作用强度越弱,甚至作用性质也会改变,而平整表面比粗糙表面间的相互作用强度弱。在相同粗糙度下,表面沟槽与运动方向间的相对关系对作用强度也有影响。
　　 最后,基于原子力显微镜技术和石英晶体微天平技术,介绍了非接触表面作用的实验测量方案,并定性分析了针尖一样品间距、样品特性和电场等主要因素对非接触表面摩擦测试结果的具体影响。