原子力顯微鏡針尖-表面相互作用分子動力學(xué)仿真研究.pdf

1、表面科學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)中占有日益重要的地位，材料的許多重要物理、化學(xué)過程首先發(fā)生在界面之間。研究相互作用材料表面間及其與外部環(huán)境的作用規(guī)律，對控制材料表面的物理化學(xué)過程，優(yōu)化材料的表面性能無疑是至關(guān)重要的。特別是二十世紀(jì)末期以來，電子、生物技術(shù)迅猛發(fā)展，對新型材料的需求日益迫切，對超精密加工與檢測技術(shù)提出了更高要求。
　　掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，把人類直觀視野首次帶進原子尺度。將原子力顯微鏡應(yīng)用于微納特征尺度材料表面物理、化學(xué)性質(zhì)檢測以

2、及納米尺度表面摩擦和磨損、微操縱等研究正方興未艾。全面準(zhǔn)確地認(rèn)識原子力顯微鏡針尖－表面間相互作用對于納米尺度表面檢測、拓?fù)涑上瘛⑨樇饽p等研究具有重要的理論意義，并將為原子力顯微鏡的進一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　隨著人們對事物認(rèn)識的深入，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸達到微米，甚至達到納米量級，由于小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)的影響，材料的力學(xué)特性、載荷失效機理等與傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本理論著本質(zhì)的不同。原子力顯微鏡針尖－表面作用可以概括為特殊的表面

3、接觸問題，依據(jù)經(jīng)典力學(xué)建立起的傳統(tǒng)接觸理論不能直接沿用解釋有關(guān)針尖－表面間作用的研究。
　　本文分析了微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分子動力學(xué)仿真的一般方法，討論了適合納米尺度針尖－表面作用力學(xué)性能仿真的勢能函數(shù)和求解算法，結(jié)合 AFM針尖－表面作用機理，建立了金鋼石/單晶硅/碳納米管針尖－單晶硅樣品表面作用三維分子動力學(xué)仿真模型，自行開發(fā)了 C語言計算仿真程序模擬原子力顯微鏡針尖－表面相互作用，在一定仿真條件下獲得獲得詳盡的仿真數(shù)據(jù)，并開發(fā)了基

4、于OpenGL庫函數(shù)的顯示程序分析仿真結(jié)果。
　　與通常的研究不同，本文將原子力顯微鏡針尖作為非剛性材料，將針尖在材料表面納米尺度壓痕過程中末端穩(wěn)定性作為研究重點。建立了非剛性金剛石針尖－單晶硅表面壓痕過程的三維分子動力學(xué)仿真模型。分別從針尖受力、能量演化，原子運動等方面對金剛石針尖磨損過程進行了較詳細(xì)的分析。計算結(jié)果表明：當(dāng)針尖、樣品表面距離達到數(shù)個埃時，臨近接觸部分原子原有化學(xué)鍵發(fā)生了不可恢復(fù)性破壞，并向其他原子間隙塑性流動。

5、如針尖表面間距離進一步縮小，有針尖與樣品表面原子的相互跳遷、黏附等現(xiàn)象的發(fā)生。
　　其次，為考察碳納米管作為原子力顯微鏡針尖時的力學(xué)性能，本文采用分子動力學(xué)方法，對單壁碳納米管進行了軸向拉伸、壓縮力學(xué)性能進行模擬研究。研究了極限條件下碳納米管作為原子力針尖具有的軸向抗拉壓結(jié)構(gòu)變形機理，還進行了將帶有頂帽的單壁碳納米管 AFM針尖沿管軸向朝向單晶硅表面進行下壓模擬實驗。結(jié)果表明碳納米管由于其結(jié)構(gòu)特殊性，具有很好的軸向抗拉壓韌性，帶有

6、頂帽的末端結(jié)構(gòu)使得碳納米管作為 AFM針尖具有優(yōu)良的末端結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，明顯優(yōu)于金剛石針尖。
　　最后，本文提出準(zhǔn)動態(tài)分子動力學(xué)方法實現(xiàn)了原子力顯微鏡掃描表面原子分辨率地形形貌圖。模擬了超低溫真空環(huán)境下，非接觸式頻率調(diào)節(jié)原子力顯微鏡采用單晶硅原子針尖對單晶硅重構(gòu)表面的成像過程。采用兩種原子間勢函數(shù)描述原子間相互作用在穩(wěn)定成像高度范圍內(nèi)得到了相似的原子級分辨率仿真圖像，圖象與文獻實驗吻合；仿真發(fā)現(xiàn)勢函數(shù)對掃描成像有一定影響；SW勢函數(shù)穩(wěn)