基于接觸共振原子力顯微術的納米力學表征方法研究.pdf

1、隨著納米科學技術的快速發(fā)展，各類器件系統的日益小型化以及新型納米材料的設計制備，均對相應器件材料各類物理特性快速、準確、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特性相關參量的表征評價，這既包括對于材料強度、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部缺陷、雜質等的無損檢測。針對這一需求，基于原子力顯微鏡的相關技術因其納米尺度空間分辨力、極高的力測量靈敏度而表現出巨大潛力，而其中尤以基于超聲

2、調制的接觸共振原子力顯微術最具希望。
　　通過結合對于針尖、樣品間接觸作用的高頻超聲調制，超聲原子力顯微術相關技術方法被廣泛應用于對材料表面力學特性分布的表征成像以及對次表面結構的無損檢測中。而其中工作于接觸共振狀態(tài)的接觸共振原子力顯微術，更是因其能夠實現定量化力學特性表征而得到廣泛關注。本論文針對接觸共振原子力顯微術在納米力學表征及次表面結構成像中存在的相關問題，以接觸力學及探針振動力學為基礎，主要開展了微懸臂梁相關動力學問題分

3、析、納米力學表征中的應用拓展及次表面結構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在納米摩擦相關問題研究中的運用。
　　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構、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定量納米力學表征的影響。同時，我們對接觸共振原子力顯微術定性成像中的圖像襯度進行了探討，并對小振幅超聲調制下，針尖、樣

4、品間力曲線特性進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的薄膜剛度及殘余應力的測量方法，探索拓展了接觸共振原子力顯微術在納米力學表征方面的應用。經對比驗證，該方法測試結果與傳統曲率法測試結果符合較好，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對于次表面空穴結構檢測能力的理論分析模型，針對不同深度、不同尺寸次表面結構，對檢測深度等檢測能力評價指標進行了系統研究，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。相關驗證實驗較好地證明了此分析方法的有效性。同時，對于內嵌異質結構樣品，針對其接觸力學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中實驗設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中針尖、樣品間局域微滑動行為進行了研