基于弯曲法的AFM微悬臂梁弹性常数标定技术

原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)在微纳米尺度力学测量领域有着广泛应用,其微悬臂梁探针的弹性常数是直接影响测量结果准确性的关键因素之一。弯曲法是标定微悬臂梁弹性常数的一类重要方法,基于弯曲标定原理提出了一种新的技术实现方案,并研制了相应的标定系统。借助精密运动定位台使微悬臂梁接触超精密天平并产生弯曲,分别以天平和光杠杆机构同步测得接触力和梁的弯曲量,再根据胡克定律直接算得弹性常数。利用所研制的系统对多种型号的微悬臂梁进行了标定,实验结果表明该系统具有良好的准确性和重复性,测量相对标准差小于5%。

AFM稳定性研究

“突跳”现象严重影响着原子力显微镜(AFM)的性能。根据W igner-Seitz模型微观连续介质理论,建立了AFM针尖同试样面接触力包含斥力的数学模型;由分析力学的稳定平衡条件,发现了引起AFM“突跳”的本质是不稳定平衡点的存在;通过增加AFM悬臂梁刚度,提出了一种避免AFM“突跳”现象发生的方法,并给出仿真结果。

基于能量平衡方法的压痕尺寸效应分析

针对硬度测试中出现的压痕尺寸效应现象,采用纳米压痕技术与原子力显微技术相结合,得到压痕过程中的载荷与压深加载卸载曲线和压痕三维图,从中可以得到压痕过程中压头所做的塑性功、最大压深、塑性变形面积、塑性变形体积等,并以此为变量提出了一个基于能量平衡方法的改进模型,此模型能更好地解释压痕尺寸效应。单晶硅实验结果表明:在较大压深下,由于形成新表面所消耗的功是出现压痕尺寸效应的主要因素:随着压痕深度的减小,用于克服材料对压头的阻力而消耗的功所起的作用越来越大;而在更小的压深下,用于产生塑性变形的初始能量和测试系统误差所造成的影响会越来越大,不可忽视。