[發(fā)明專利]AFM探針橫向力標(biāo)定系數(shù)測量方法及橫向力標(biāo)定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611130422.6
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106526242B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭學(xué)軍;嚴鑫洋;彭金峰;馮東東
• 申請（專利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類號: G01Q40/00
• 分類號: G01Q40/00;G01Q60/38
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 顏勇

本發(fā)明AFM探針橫向力標(biāo)定系數(shù)測量方法及橫向力標(biāo)定方法，屬于納米科技和納米摩擦學(xué)的交叉領(lǐng)域，測量方法是在標(biāo)準(zhǔn)實驗室環(huán)境條件下，利用AFM，測量試樣在同一區(qū)域承受不同法向載荷F_n下的摩擦力電信號U_f及表面黏附力F_ad；代入U_fβ＝k(F_n+F_ad)中，采用最優(yōu)參數(shù)估計法求解出橫向力標(biāo)定系數(shù)β，從而實現(xiàn)橫向力標(biāo)定。本發(fā)明的優(yōu)點在于：(a)本方法使用的材料具有任意性，不需加工，取材方便，成本低；(b)本方法基于Amontons定律，考慮了黏附力對標(biāo)定的影響，計算過程簡單、快速、準(zhǔn)確，可廣泛適用于各類AFM探針和微懸臂梁的橫向力標(biāo)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開了一種AFM探針橫向力標(biāo)定系數(shù)測量方法及橫向力標(biāo)定方法，更具體是一種基于Amontons(阿蒙東)定律利用摩擦力測力裝置測量AFM探針橫向力標(biāo)定系數(shù)的方法及AFM探針橫向力標(biāo)定方法。屬于納米科技和納米摩擦學(xué)技術(shù)交叉領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在過去的20年里面，隨著掃描探針顯微鏡，特別是原子力顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，為納米尺度的材料機械性能研究帶來了極大方便。例如俄亥俄州立大學(xué)的Bhushan等利用AFM(原子力顯微鏡)做了一系列實驗研究納米尺度材料的力學(xué)、摩擦學(xué)性能(Wear,2005,259(7):1507-1531)，國內(nèi)清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室的溫詩鑄、錢林茂等AFM進行了多種納米材料的摩擦與磨損研究(機械工程學(xué)報,2007,43(10):7-8.)。

AFM在納米摩擦學(xué)和納米力學(xué)研究有著廣泛的應(yīng)用，但由于原子力顯微鏡技術(shù)的局限性，特別是AFM探針的力標(biāo)定問題，使得定量分析納米尺度的材料機械或者摩擦性能十分困難。原子力顯微鏡力曲線與摩擦力模塊利用探針變形后反射激光導(dǎo)致光電反應(yīng)器上電壓偏轉(zhuǎn)的關(guān)系來反應(yīng)材料表面的力學(xué)性質(zhì)(Surface science reports,2005,59(1):1-152.)，例如黏附力、摩擦力等，而AFM所測出的電壓信號不能由儀器直接轉(zhuǎn)換為力，每個探針都需要對其本身的物理參數(shù)進行標(biāo)定后才能轉(zhuǎn)換(Langmuir,2006,22(5):2340-2350.)，分為法向力標(biāo)定和橫向力標(biāo)定。

在原子顯微鏡探針橫向力標(biāo)定方面，學(xué)者們提出了一些解決辦法，例如澳大利亞墨爾本大學(xué)的Huabin Wang提出的楔形法(Ultramicroscopy,2014,136:193-200.)標(biāo)定探針橫向力。但這種方法需要專門加工特定的斜坡光柵樣品，整個測試與分析過程十分繁雜，標(biāo)定效率低下成本高；德國漢堡大學(xué)應(yīng)用物理研究所和微觀結(jié)構(gòu)研究中心提出的兩步法(Review of scientific instruments,1996,67(7):2560-2567.)標(biāo)定探針橫向力，通過探針本身的幾何參數(shù)和物理參數(shù)來計算橫向力，計算復(fù)雜且標(biāo)定誤差高達30％至50％，顯然不太準(zhǔn)確；國內(nèi)西南交通大學(xué)的余家欣和錢林茂提出了一種改進的楔形法(摩擦學(xué)學(xué)報,2007,27(5):472-476.)，考慮了標(biāo)定系數(shù)隨載荷變化的趨勢，但沒有本質(zhì)上的創(chuàng)新。

因此迫切需要引入一種標(biāo)定成本低廉且效率和準(zhǔn)確度較高的AFM探針橫向力標(biāo)定方法來滿足納米尺度的力學(xué)和摩擦學(xué)研究需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種AFM探針橫向力標(biāo)定系數(shù)測量方法及橫向力標(biāo)定方法。

本發(fā)明基于Amontons定律利用摩擦力測力裝置來測量AFM探針橫向力標(biāo)定系數(shù)，具有步驟簡單，易操作的優(yōu)點，且標(biāo)定誤差小，可廣泛適用于各種類型的探針或微懸臂梁的橫向力標(biāo)定系數(shù)的測量。

本發(fā)明基于Amontons定律，考慮AFM摩擦力測力原理，利用標(biāo)準(zhǔn)材料，提出了測量AFM探針橫向力標(biāo)定系數(shù)的實驗方法原理模型；

(1)微納尺度的Amontons定律本構(gòu)方程為：

F_f＝k(F_n+F_ad)……(3)