基于接觸共振原子力顯微術(shù)的納米力學(xué)表征方法研究.pdf

1、隨著納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類器件系統(tǒng)的日益小型化以及新型納米材料的設(shè)計制備，均對相應(yīng)器件材料各類物理特性快速、準(zhǔn)確、無損且高分辨的測量提出迫切需求。而其中，尤為重要的需求之一即是對各類力學(xué)特性相關(guān)參量的表征評價，這既包括對于材料強(qiáng)度、彈性、粘彈及摩擦等特性參量的定量測量，也包括對于器件材料內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)等的無損檢測。針對這一需求，基于原子力顯微鏡的相關(guān)技術(shù)因其納米尺度空間分辨力、極高的力測量靈敏度而表現(xiàn)出巨大潛力，而其中尤以基于超聲

2、調(diào)制的接觸共振原子力顯微術(shù)最具希望。
　　通過結(jié)合對于針尖、樣品間接觸作用的高頻超聲調(diào)制，超聲原子力顯微術(shù)相關(guān)技術(shù)方法被廣泛應(yīng)用于對材料表面力學(xué)特性分布的表征成像以及對次表面結(jié)構(gòu)的無損檢測中。而其中工作于接觸共振狀態(tài)的接觸共振原子力顯微術(shù)，更是因其能夠?qū)崿F(xiàn)定量化力學(xué)特性表征而得到廣泛關(guān)注。本論文針對接觸共振原子力顯微術(shù)在納米力學(xué)表征及次表面結(jié)構(gòu)成像中存在的相關(guān)問題，以接觸力學(xué)及探針振動力學(xué)為基礎(chǔ)，主要開展了微懸臂梁相關(guān)動力學(xué)問題分

3、析、納米力學(xué)表征中的應(yīng)用拓展及次表面結(jié)構(gòu)成像能力定量評價等三個方面的研究工作，同時亦探討了接觸共振原子力顯微術(shù)在納米摩擦相關(guān)問題研究中的運(yùn)用。
　　首先，本文通過基于連續(xù)梁的微懸臂梁接觸共振理論模型及有限元計算模型，分析了微懸臂梁特殊幾何結(jié)構(gòu)、探針傾角、針尖位置、針尖高度及橫向接觸剛度等因素對于接觸共振原子力顯微術(shù)定量納米力學(xué)表征的影響。同時，我們對接觸共振原子力顯微術(shù)定性成像中的圖像襯度進(jìn)行了探討，并對小振幅超聲調(diào)制下，針尖、樣

4、品間力曲線特性進(jìn)行了實驗及理論研究。
　　其次，本文提出了一種基于接觸共振原子力顯微術(shù)的薄膜剛度及殘余應(yīng)力的測量方法，探索拓展了接觸共振原子力顯微術(shù)在納米力學(xué)表征方面的應(yīng)用。經(jīng)對比驗證，該方法測試結(jié)果與傳統(tǒng)曲率法測試結(jié)果符合較好，且具有較小的測量不確定度。
　　另外，本文提出了針對接觸共振原子力顯微術(shù)對于次表面空穴結(jié)構(gòu)檢測能力的理論分析模型，針對不同深度、不同尺寸次表面結(jié)構(gòu)，對檢測深度等檢測能力評價指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并分析

5、了懸臂梁振動模態(tài)、作用載荷等對于檢測能力的影響。相關(guān)驗證實驗較好地證明了此分析方法的有效性。同時，對于內(nèi)嵌異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品，針對其接觸力學(xué)模型建立困難的問題，我們提出了基于有限元分析的等效壓入模量計算模型，并分析了接觸共振原子力顯微術(shù)對于此類樣品的檢測能力。
　　最后，為研究接觸共振原子力顯微術(shù)中實驗設(shè)置對于材料耗散角正切等粘彈特性測量的影響，本文從接觸共振頻譜的實驗研究出發(fā)，對接觸共振原子力顯微術(shù)中針尖、樣品間局域微滑動行為進(jìn)行了研