文摘
在开发模式原子力显微镜的操作(TM-AFM)悬臂和样品表面之间的差距非常小(几个纳米到微米)。由于距离的差距小,振动频率高,压膜力TM-AFM应该考虑。探索在TM-AFM压膜阻尼的机理,讨论了三种理论微悬臂的简化模型创新:此提示探针,球探测器,近日调查。实验和模拟验证理论模型。具有重要意义,提高原子力显微镜的图像质量。
1。介绍
利用模式原子力显微镜(TM-AFM)被广泛用于观察样品真实原子分辨率(1,2]。AFM阶段比地形图像图像提供更重要的信息,比如信息关于附着力,弹性、粘弹性、刚度、和化学成分3,4]。相位图像和质量的因素是直接关系到能量耗散之间的提示和示例5,6]。许多能量耗散机制,如附着力滞后,毛细管作用,讨论了空气阻尼、塑性变形,在先前的研究7- - - - - -13]。增加悬臂质量因素改善成像灵敏度和有助于提供高分辨率相图像(14,15]。此外,准确识别每个耗散机制有利于提高成像精度。
目前,对压膜阻尼的研究主要集中在微机电系统(MEMS) [16),而很少有研究在TM-AFM压膜阻尼。在相关的实验研究中,加西亚et al。17,18)使用调整共振曲线(从低到高频率扫描)调查共振振幅的变化与tip-sample距离的减少。在他们的研究中,振幅被视为常数tip-sample距离足够大时。然而,事实上,截断前的振幅表现出细微的变化出现了,并没有在他们的论文。这个实验研究同意Hoummady [19),说明可以用压膜阻尼来解释这些现象。这个实验是由杨et al。20.)具有共同调查TM-AFM(尖端探针),更准确的tip-sample距离的优势。在相关的理论研究中,许多学者解决了雷诺方程来获得压膜阻尼的影响在悬臂梁的动态,但是他们没有考虑到不同的尖端形状对压膜阻尼的影响(21- - - - - -24]。桑德琳et al。25]提出压膜阻尼力与提示悬臂系统的几何形状和一个相关的表达。此外,它被发现,他们的结论是在定量的协议与实验数据,清楚地显示在所有距离粘度的影响。
在这项研究中,我们将演示的压膜阻尼机理不同的探针TM-AFM和分析压膜阻尼对幅值和质量的影响因素 。理论模型的结果与那些通过实验获得使用三种类型的AFM探针(球提示探针,探针和近日调查)。
2。实验过程
2.1。悬臂式类型
验证压膜阻尼模型,我们设计了一个实验,测试振幅变化tip-sample距离在微米范围。提示探测器(AppNano AN-NSC10-2厚度:4μ米,长度:125μ米,宽度:30μm,共振频率:200 - 400 kHz,力常数:40 N / m,涂层:艾尔,材料:是的,齿顶圆角半径:10 nm,技巧高度:15μ米),球探测器(SiO附加2球体近日悬臂,悬臂型:纳米传感器TL-NCH-10,颗粒形状:球粒子,直径:10μSiO m,粒子材料2),近日调查(纳米传感器TL-NCH-10、厚度:4μ米,长度:125μ米,宽度:30μ米,共振频率:204 - 479 kHz,力常数:40 N / m,涂层:没有,材料:Si)如图1分析压膜阻尼的影响。力量维度图标AFM是用于这些实验。
2.2。实验过程
在TM-AFM自动调谐功能,提示抵消被用来进行样本上的悬臂分段。每一步是订婚的距离控制在几微米或纳米。实验共振曲线为不同提示抵消如图2(一个)。悬臂振荡幅度的依赖在抵消如图2 (b)。
(一)
(b)
在图2 (b),调谐曲线可分为三个阶段。tip-sample距离相对较高时,这个区域可以被定义为自由阶段,提示的振幅保持不变。样品上的提示进行,调查逐渐进入压膜阻尼阶段;在这个阶段,提示抵消导致振幅下降缓慢。最后一个阶段是接触阶段;在这个阶段,一边摸样例。在接触阶段,提示抵消导致振幅的快速变化。这个阶段可以使用接触模型,简单描述tip-sample接触导致截断在图2 (b)。
3所示。实验结果和理论计算
3.1。范德瓦尔斯力
众所周知,范德瓦尔斯力时应通知对象之间的距离很小。确定的影响悬臂范德瓦尔斯力,力曲线可以用来验证这些力量的作用距离。“进入接触”现象发生在tip-sample几个纳米的距离。提示和示例之间的范德华力tip-sample距离时可以忽略的微米。压膜力远远大于微米尺寸的范德瓦尔斯力tip-sample距离(21]。此外,它必然是指出样品应放置很长一段时间实验消除静电的影响力量。
3.2。球探测
球探测,一微米大小的球体是贴在悬臂的结束。因为球是远远大于振幅在实验中观察到,tip-sample距离可以被认为是一个固定值。压膜力被认为是集中在球面上(25]。为方便理论计算,压膜阻尼球探针和样品之间简化为一维振子模型。
tip-sample行动力量可以写成: 在哪里 空气的粘度,是球的半径(~ 10 um),球的速度,球面样本距离(25]。
压膜力的分布主要取决于球的瞬时速度和距离z。振动系统的振幅接近50 nm和频率是200千赫。在球探测实验中,截断没有出现,样品小球并没有联系。压膜力振幅降低,直到系统可能不再存在一个稳定的形象。
一维阻尼系统可以表示如下:
在情商。2), , , ,和等效质量、等效阻尼系数、等效刚度、等效悬臂的激发,分别。特别是,悬臂梁在自由端与一个集中质量球, , ,在哪里microball的质量,表明悬臂的质量,代表了弹性模量,表示横截面惯性矩悬臂长度。线性阻尼由压膜阻尼和阻尼常数(内部空气阻尼和阻尼)。压膜阻尼 ,和常数阻尼 ;然后, (22]。系统品质因数可以获得 。
情商。3)可用于计算理论品质因数球与微球探针,tip-sample距离的函数 。优化实验结果如图3(一个),每一个共振曲线的最大振幅也记录,用情商理论计算完成。(3),实验结果通过实验扫描曲线。不同tip-sample距离,实验质量因素和理论曲线计算了情商。3)归一化,如图3 (b)。在球探测器优化实验中,tip-sample距离大约是在微米范围内,范德瓦尔斯力可以在这种情况下被忽略。这显然是看到规范化实验变化趋势与理论计算结果是相一致的。球探测的一维振子模型是合理的优化实验。
(一)
(b)
3.3。近日调查
小悬臂样本距离,悬臂和样本之间的压膜阻尼可以表达的雷诺方程(16,24]: 在哪里在影片中,是压力是轴平行梁长度,是轴平行波束宽度。
结合实际尺寸的悬臂,width-length比率 ,在哪里悬臂梁的宽度。根据Pandey [23),雷诺方程可以简化为一维,错误可以被忽视。随着曲率半径方向不到方向,雷诺方程可以简化为
的压力通过集成的情商。5与边界条件) 在 。随着悬臂样本距离远远大于振动振幅 ,紧缩力可以简化为单位长度
微悬臂的运动方程与阻尼(包括压膜阻尼和阻尼常数)可以写成(24]:
在哪里表明悬臂的体积密度,表明悬臂厚度,代表了单位长度恒定阻尼系数。倾向于悬臂的一个角度 ,cantilever-sample距离可以表示为 ,在哪里是悬臂梁的自由端之间的距离在平衡和示例。利用模态分解,即 ,情商。7)可以表示为以下时只考虑一阶。 在哪里 , 。因此,系统的阻尼系数可以表示为 ,在哪里是一阶共振频率,表示常数阻尼比。该系统可以通过吗 。
情商。9)可用于计算理论品质因数近日调查;的价值通常是~ 0.001。优化实验结果如图4(一),用情商理论计算完成。9),实验结果,实验扫描曲线,结合每个曲线最大的振幅。标准化的实验和理论品质因素对不同tip-sample距离也显示在图4 (b)。很明显,规范化的趋势实验质量因素和理论结果是一致的。简化模型是在良好的协议与近日探针的优化实验。
(一)
(b)
三种类型的探测器,理论计算压膜阻尼系数如图5。显然,压膜阻尼区域在不同的探针有不同的影响。在同一tip-sample距离,压膜阻尼的影响在不同的探测器也非常不同。
4所示。结论
总之,压膜力的影响是一个不可忽视的因素时的阻尼tip-sample距离是几微米的范围内,尤其是在TM-AFM。实验结果和理论模型数据是在良好的协议,简化模型是可信的和容易计算。球探测,压膜力主要集中在球连着悬臂的结束。近日调查,压膜力的主要部分集中在悬臂和样本,分布在整个悬臂梁。尖端探针,细长的建议可以增加悬臂和样品之间的距离,和高的距离减少了压膜力当tip-sample距离在纳米范围内。本研究对于理解具有重要意义的压膜阻尼耗散机制TM-AFM AFM和促进发展。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(国家自然科学基金委,批准号11072024和11572031)。