輕敲模式原子力顯微鏡微懸臂-探針動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、原子力顯微鏡的微懸臂及其針尖的動(dòng)力學(xué)特性直接影響原子力的檢測精度，對微懸臂．探針結(jié)構(gòu)在檢測過程中的動(dòng)力學(xué)行為的研究是十分必要的，目前國內(nèi)外很多學(xué)者在研究該問題時(shí)通常采用模態(tài)分析法，但僅采用一階模態(tài)分析微懸臂-探針的動(dòng)力學(xué)特性。微懸臂-探針是一個(gè)連續(xù)變形體結(jié)構(gòu)，在檢測過程中，由于采取輕敲測量模式，要求探針針尖與樣品表面進(jìn)行間歇接觸作用，因而激發(fā)高頻響應(yīng)，導(dǎo)致一階模態(tài)分析方法產(chǎn)生較大誤差，采用高階模態(tài)分析方法是必要的。 本文對微懸臂

2、-探針結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了理論研究。應(yīng)用Hamaker微觀連續(xù)介質(zhì)理論建立了微懸臂-探針的動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用Euler-Bemoulli梁理論，采用模態(tài)函數(shù)法，對微懸臂-探針結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。在針尖與樣品非接觸情況下，采用原子力模型，計(jì)算針尖與樣品之間的范德華力。在針尖與樣品接觸情況下，采用DMT接觸模型，計(jì)算針尖與樣品之間的接觸力。 采用VC++編制數(shù)值計(jì)算程序包，并應(yīng)用該程序包，計(jì)算包含針尖與樣品接觸與非接觸重復(fù)交

3、替的重復(fù)撞擊接觸過程，分別計(jì)算了重復(fù)撞擊接觸力響應(yīng)和梁對重復(fù)撞擊接觸的位移、速度、加速度響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，考慮高階模態(tài)和僅考慮一階模態(tài)兩種模型，所得到的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果有明顯差異。應(yīng)用本文的高階模態(tài)模型，能夠充分考慮結(jié)構(gòu)因撞擊接觸激發(fā)的高頻響應(yīng)，更加合理的模擬微懸臂-探針的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。另外還發(fā)現(xiàn)，在探針與樣品重復(fù)間歇撞擊接觸時(shí)，應(yīng)用-階模態(tài)模型計(jì)算得到的針尖響應(yīng)迅速進(jìn)入穩(wěn)定響應(yīng)階段；應(yīng)用高階模態(tài)響應(yīng)模型計(jì)算得到的針尖響應(yīng)，可以看出，早