原子力显微镜探针与样品的微观接触及黏滑数

原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)的扫描探针、针尖以及样品组成了一个微观接触、弹性变形、相对运动和摩擦的系统.采用微尺度黏着接触理论的M-D模型,研究了微探针针尖和样品表面的弹性接触和相对运动,探究了扫描过程中能量的转换和耗散过程.推导出了无量纲的黏滑数,模拟出了不同黏滑数下的AFM侧向力信号:η<1时,AFM侧向力信号十分微弱,没有剧烈突变;η=1时,出现针尖跳跃现象(对应微观黏滑现象),但没有能量损耗;η>1时,针尖跳跃滞后加强,黏滑现象明显,并且伴随能量耗散.该无量纲参数揭示了微观黏滑现象产生的机理,统一地表示了探针刚庋、结构参数、黏着接触表面、载荷、样品形貌以及扫描参数的综合作用和影响,并与现有的AFM测试结果吻合良好.最后,提出了从AFM侧向力信号中定量提取摩擦力信号的分析方法.