[发明专利]AFM探针横向力标定系数测量方法及横向力标定方法

说明书

本发明AFM探针横向力标定系数测量方法及横向力标定方法，属于纳米科技和纳米摩擦学的交叉领域，测量方法是在标准实验室环境条件下，利用AFM，测量试样在同一区域承受不同法向载荷F_n下的摩擦力电信号U_f及表面黏附力F_ad；代入U_fβ＝k(F_n+F_ad)中，采用最优参数估计法求解出横向力标定系数β，从而实现横向力标定。本发明的优点在于：(a)本方法使用的材料具有任意性，不需加工，取材方便，成本低；(b)本方法基于Amontons定律，考虑了黏附力对标定的影响，计算过程简单、快速、准确，可广泛适用于各类AFM探针和微悬臂梁的横向力标定。

技术领域

本发明公开了一种AFM探针横向力标定系数测量方法及横向力标定方法，更具体是一种基于Amontons(阿蒙东)定律利用摩擦力测力装置测量AFM探针横向力标定系数的方法及AFM探针横向力标定方法。属于纳米科技和纳米摩擦学技术交叉领域。

背景技术

在过去的20年里面，随着扫描探针显微镜，特别是原子力显微镜技术的发展，为纳米尺度的材料机械性能研究带来了极大方便。例如俄亥俄州立大学的Bhushan等利用AFM(原子力显微镜)做了一系列实验研究纳米尺度材料的力学、摩擦学性能(Wear,2005,259(7):1507-1531)，国内清华大学摩擦学国家重点实验室的温诗铸、钱林茂等AFM进行了多种纳米材料的摩擦与磨损研究(机械工程学报,2007,43(10):7-8.)。

AFM在纳米摩擦学和纳米力学研究有着广泛的应用，但由于原子力显微镜技术的局限性，特别是AFM探针的力标定问题，使得定量分析纳米尺度的材料机械或者摩擦性能十分困难。原子力显微镜力曲线与摩擦力模块利用探针变形后反射激光导致光电反应器上电压偏转的关系来反应材料表面的力学性质(Surface science reports,2005,59(1):1-152.)，例如黏附力、摩擦力等，而AFM所测出的电压信号不能由仪器直接转换为力，每个探针都需要对其本身的物理参数进行标定后才能转换(Langmuir,2006,22(5):2340-2350.)，分为法向力标定和横向力标定。

在原子显微镜探针横向力标定方面，学者们提出了一些解决办法，例如澳大利亚墨尔本大学的Huabin Wang提出的楔形法(Ultramicroscopy,2014,136:193-200.)标定探针横向力。但这种方法需要专门加工特定的斜坡光栅样品，整个测试与分析过程十分繁杂，标定效率低下成本高；德国汉堡大学应用物理研究所和微观结构研究中心提出的两步法(Review of scientific instruments,1996,67(7):2560-2567.)标定探针横向力，通过探针本身的几何参数和物理参数来计算横向力，计算复杂且标定误差高达30％至50％，显然不太准确；国内西南交通大学的余家欣和钱林茂提出了一种改进的楔形法(摩擦学学报,2007,27(5):472-476.)，考虑了标定系数随载荷变化的趋势，但没有本质上的创新。

因此迫切需要引入一种标定成本低廉且效率和准确度较高的AFM探针横向力标定方法来满足纳米尺度的力学和摩擦学研究需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种AFM探针横向力标定系数测量方法及横向力标定方法。

本发明基于Amontons定律利用摩擦力测力装置来测量AFM探针横向力标定系数，具有步骤简单，易操作的优点，且标定误差小，可广泛适用于各种类型的探针或微悬臂梁的横向力标定系数的测量。

本发明基于Amontons定律，考虑AFM摩擦力测力原理，利用标准材料，提出了测量AFM探针横向力标定系数的实验方法原理模型；

(1)微纳尺度的Amontons定律本构方程为：

F_f＝k(F_n+F_ad)……(3)