輕敲模式原子力顯微鏡微懸臂-探針動力學研究.pdf

1、原子力顯微鏡的微懸臂及其針尖的動力學特性直接影響原子力的檢測精度，對微懸臂．探針結(jié)構(gòu)在檢測過程中的動力學行為的研究是十分必要的，目前國內(nèi)外很多學者在研究該問題時通常采用模態(tài)分析法，但僅采用一階模態(tài)分析微懸臂-探針的動力學特性。微懸臂-探針是一個連續(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-探針的動力學模型，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)的動力學響應(yīng)進行分析。在針尖與樣品非接觸情況下，采用原子力模型，計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，計算針尖與樣品之間的接觸力。 采用VC++編制數(shù)值計算程序包，并應(yīng)用該程序包，計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，所得到的動力學響應(yīng)計算結(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-探針的實際運動狀態(tài)。另外還發(fā)現(xiàn)，在探針與樣品重復(fù)間歇撞擊接觸時，應(yīng)用-階模態(tài)模型計算得到的針尖響應(yīng)迅速進入穩(wěn)定響應(yīng)階段；應(yīng)用高階模態(tài)響應(yīng)模型計算得到的針尖響應(yīng)，可以看出，早