施 慧, 高思田, 黄 鹭, 沈小燕

(1.中国计量大学 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018; 2.中国计量科学研究院, 北京 100029)

1 引 言

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)是获得原子尺度物质结构信息的重要工具[1]。其中探针是检测系统的核心,其力学性能直接影响了AFM的测试性能、分辨率和扫图质量等[2,3]。传统AFM将带有针尖的悬臂作为力传感器,针尖尺度小,不适宜大台阶微观表面观测[4],且光学系统使得AFM测头结构复杂,不易集成[5]。石英音叉因其谐振频率高,双臂弹性系数大,具有较高品质因子[6]而被广泛地应用于微纳米级检测中[7]，因此研究其动态力传感测量机理对实际测量具有重要参考意义。文献[7]引入平衡点作为引力斥力的分界线,探讨经历各个作用区时悬臂探针的振荡状态; 王艳霞等通过实验获得了探针的振幅随探针-样品间距变化的关系曲线[8]; 2000年,Schmidt等建立音叉的有限元模型,细致探究了音叉探针动态力学特性[9]; 2014年,薄惠丰等研究了典型针尖悬臂系统对不同力学性能的材料样品在接近过程中的响应情况[10];2016年,李喜德等研究了音叉探针与样品之间的剪切相互作用机制,获得音叉探针在横向作用力下的接近曲线[11]。

本文基于文献[12]提出的三弹簧两质点模型,建立并简化了由石英音叉和钨针尖构成的探针在垂直于样品表面振动时受到样品表面作用的动力学模型,对音叉探针与试样表面的相互作用进行了理论分析,模拟针尖样品接近曲线,搭建基于音叉探针的针尖样品接近曲线测量装置,进行实验研究,获得不同激励下的接近曲线,为之后研究音叉式原子力显微镜系统提供重要的数据支持。……