湿度对原子力显微镜成像的影响

摘要

Atomic force microscope(AFM)解决了Scanning tunnelingmicroscope(STM)要求待测样品材料是导电的缺陷，能显示样品的图像信息，提供力曲线的测量，对MEMS/NEMS与生物技术的发展具有潜在的推动作用，可以为首都高新技术产业的技术进步提供支持。虽然AFM的成像精度很高，赝像却仍是困扰AFM的常见问题，使得无法准确地认识材料性能。就环境湿度诱导的扫描形貌分辨率降低和赝像等问题，开展系统的理论研究、实验验证和数值模拟，以期从物理、力学机制上建立对赝像的定量认识，为最终剔除湿度带来的赝像提供参考。
　　第一步，在理论方面，首次明确提出环境湿度会在AFM扫描图像中产生赝像，并通过理论推导说明相对湿度的变化对液桥形成的影响，以及有关液桥的几何计算。
　　第二步，通过中间变量液桥体积V，对针样系统中η、Fmax与RH的函数关系进行数值推导，得到正比的变化趋势，η、Fmax在RH逐渐变大的前提下会增大，特别的是在百分比振幅达到80％的时候，这种变化的幅度会加大。对液桥曲面形状进行了圆弧近似的讨论。
　　第三步，提出通过品质因子的讨论得到不同湿度环境下微悬臂梁的一些振动特性，从而得到液桥的品质因子、断裂能的变化。在接触模式和轻敲模式两种操作条件下进行力位移曲线的测量和扫频实验，通过对实验数据的处理，得到η与RH之间的变化关系，从两个物理量之间关系的实验结果和理论推导的相似程度中，说明理论推导的正确性。对受限悬臂梁受迫振动对称性问题进行了初步的探讨。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究状况

1．3 AFM工作的原理

1．3．1 微悬臂粱上的作用力

1．3．2 针尖的受力

1．3．3 AFM的工作模式

1．4 赝像的形成

1．4．1 由于振动引起的赝像

1．4．2 针尖的影响

1．4．3 参数的设置

1．4．4 湿度效应

1．5 本论文的研究重点

第二章 变化湿度条件液桥的计算

2．1 液桥的介绍

2．2 变化湿度下液桥的形成方式

2．2．1 水膜挤出阶段

2．2．2 毛细凝聚阶段

2．2．3 液膜流动阶段

2．3 轻敲模式下液桥的数值计算

2．4 小结

第三章 不同湿度下毛细力的理论计算

3．1 悬臂梁的振动力学模型

3．2 轻敲模式下的毛细力

3．3 不同湿度下毛细力的理论计算

3．4 不同湿度下能量耗散的理论计算

3．5 液桥表面的圆弧近似

3．6 小结

第四章 不同湿度下能量耗散的实验测量

4．1 实验目的

4．2 实验原理

4．3 实验器材

4．4 实验结果与分析

4．5 湿度对AFM悬臂粱的影响

4．6 小结

第五章 受限悬臂梁受迫振动的对称性

5．1 受限悬臂梁受迫振动问题的提出

5．2 D不变的Abaqus模拟结果

5．3 k不变的Abaqus模拟结果

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者与导师简介