原子力顯微鏡針尖-樣品分子動力學仿真及動力學特性研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)（MEMS）是一門多學科交叉的綜合科學，MEMS動力學研究是其中的重要分支，而對原子力顯微鏡中針尖-樣品耦合系統(tǒng)的非線性動力學研究非常關鍵。目前，對針尖-樣品間作用力的研究還處于探索階段，且針尖-樣品間的作用力也沒有固定的表達式，因此，針對上述問題，本文的主要研究內(nèi)容及成果如下：
　?。?）針對原子力顯微鏡中探針-樣品系統(tǒng)間力學特性的復雜性，本文采用數(shù)值模擬方法，以分子動力學為主要工具，建立了針尖-樣品系統(tǒng)的分子動力學模

2、型，采用混合勢模擬了針尖靠近樣品過程中的相互作用力，得到了力-距離曲線及力-距離關系表達式。詳細的討論和分析了系統(tǒng)在不同溫度下及探針針尖在不同移動速度下針尖-樣品間的相互作用力，進而探討了不同樣品材料對針尖-樣品間的相互作用力的影響。結(jié)果表明，當針尖距離樣品大約2埃時，它們間的相互作用力明顯增大，但排斥力為主要作用，且在表面效應的作用下，當針尖接觸樣品表面乃至分離后，仍有部分樣品原子吸附在針尖表面。
　?。?）基于該表達式，建立了

3、針尖-樣品系統(tǒng)的動力學模型及動力學方程，運用多尺度法求解了系統(tǒng)的控制方程，得到了系統(tǒng)的頻率響應方程。分別探討了系統(tǒng)的固有頻率、響應幅值、激勵力振幅及立方剛度項與頻響曲線之間的相互關系。采用數(shù)值仿真方法研究了不同樣品材料對原子力顯微鏡針尖-樣品耦合系統(tǒng)動力學特性的影響，對比了針尖距離樣品表面不同位置時的時間歷程圖和相位圖，并繪制了AFM針尖-樣品系統(tǒng)響應隨著樣品參數(shù)A變化的分岔圖。結(jié)果表明，針尖-樣品系統(tǒng)中存在豐富的周期運動，不同AFM針