样品表面液膜对原子力显微镜测量影响的研究

摘要

了解样品表面由于吸湿作用所产生的液膜对原子力显微镜测量结果的影响是提高测量精度的基础。由于这一问题所涉及的为固-液-固耦合作用的系统，而之前的研究大多基于无限深液体与探针作用的模型，和样品测量的实际问题有一定距离，因此无法给出液膜厚度对探针与样品相互作用的影响的确切认识。本文针对有限厚度液膜，通过考虑探针、液膜和样品三者间的相互作用，通过对液膜的变形、失稳等现象的分析，对上述问题进行了研究。 首先基于液膜在探针作用下的受力平衡，得到了液膜表面形貌的控制方程和渐近解析结果。通过对物理模型的进一步发展，利用对系统总能量求变分的方法论证了该控制方程的正确性。在给出液膜受探针的吸引作用突然上跳的临界失稳条件的基础上，阐明了液膜变形的临界最大隆起高度，指出这一临界高度的量级取决于探针和液体间的Hamaker常数、液体的表面张力系数以及探针的曲率半径。在此基础上进一步讨论了液膜厚度对液面变形及临界失稳的影响，给出了液膜厚度的物理定义。 分析了液膜对系统失稳点的影响，指出临界状态下无量纲液面隆起高度仅由两个无量纲参数所决定：无量纲液膜厚度和探针与液膜、样品Hamaker常数差的相对值，揭示了样品性质如何导致系统失稳点的变化。基于探针与样品和液膜间Hamaker常数差值的不同取值范围，得到了失稳点随液膜厚度改变的三种不同变化趋势。 上述研究对确切认识什么是原子力显微镜下的液膜，以及液膜的存在如何影响针尖与样品间的相互作用和吸附接触，给出了机理性的认识和描述。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2研究现状和存在的问题

1.2.1范德华和毛细相互作用

1.2.2固体接触模型

1.2.3无限深液体模型

1.2.4有限深液体模型

1.3本文研究内容

第二章液膜与探针相互作用的力平衡法研究

2.1引言

2.2探针与液膜和样品相互作用的物理模型

2.3液膜形貌的控制方程

2.4液面形貌方程的渐近解析解

2.5本章小结

第三章液膜与探针的相互作用的能量法研究

3.1引言

3.2系统总能量

3.3基于变分法得到的控制方程

3.4液面形貌控制方程的数值解

3.5本章小结

第四章液膜厚度对液面失稳的影响

4.1引言

4.2液膜失稳时液面隆起的临界高度

4.2.1临界状态下液面隆起高度的量级分析

4.2.2渐近解析解的适用性分析

4.3液膜厚度对液面临界隆起高度的影响

4.4临界高度随液膜厚度和样品性质变化的综合分析

4.5本章小结

第五章AFM测量的误差分析和实验讨论

5.1系统测量误差和分析

5.2误差分析的实验论证

5.3液体存在对测量影响的实验研究

5.4本章小结

第六章全文总结和展望

6.1液膜对亚微米探针测量影响的总结

6.2进一步工作的展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢