将近场声学和扫描探针显微术相结合的扫描探针声学显微术是近些年来发展的纳米力学测试方法。扫描探针声学显微术有多种应用模式,如超声力显微术(ultrasonic force microscopy,UFM)、原子力声学显微术(atomic force acoustic microscopy,AFAM)、超声原子力显微术(ultrasonic atomic force microscopy,UAFM),扫描声学力显微术(scanning acoustic force microscopy,SAFM)等。在以上几种应用模式中,以基于接触共振检测的AFAM 和UAFM 这两种方法应用较为普遍,有时也将它们统称为接触共振力显微术(contact resonance force microscopy,CRFM)。测试内容丰富多样,包括硬度、弹性模量、摩擦系数等,助力材料研究。广西纳米力学电镀测试
SFM纳米力学测试。在扫描隧道显微镜(STM)发明以后,基于STM,人们又陆续发展一系列相似的扫描成像显微技术,它们包括原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(FFM)、磁力显微镜、静电力显微等,统称为扫描力显微镜(SFM)。由于这些扫描力显微镜成像的工作原理是基于探针与被测样品之间的原子力、摩擦力、磁力或静电力,因此,它们自然地成为测量探针与被测样品之间微观原子力、摩擦力、磁力或静电力的有力工具。采用原子力显微镜对饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与转铁蛋白抗体之间的相互作用进行研究通过原子力显微镜对分子间力的曲线进行探测,比较饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与抗体之间的作用力的差异。广西纳米力学电镀测试摩擦学测试在纳米力学领域具有重要地位,为减少能源损耗提供解决方案。
纳米科学与技术是近二十年来发展起来的一门前沿和交叉学科,纳米力学作为其中的一个分支,对其他分支学科如纳米材料学、物理学、生物医学等都有着重要的支撑作用。下面简要介绍一下目前应用较普遍的两类微纳米力学测试方法:纳米压痕方法和基于原子力显微镜的纳米力学测试方法。纳米压痕是20 世纪90 年代初期快速发展起来的一种微纳米力学测试方法,是研究微纳米尺度材料力学性能的重要方法之一,在科研和工业领域都有着普遍的应用。纳米压痕的压入深度在一般在纳米量级,远小于传统压痕的微米或毫米量级。限于光学显微镜的分辨率,无法直接对纳米压痕的尺寸进行精确测量。
纳米压痕获得的材料信息也比较丰富,既可以通过静态力学性能测试获得材料的硬度、弹性模量、断裂韧性、相变(畴变) 等信息,也可以通过动态力学性能测试获得被测样品的存储模量、损耗模量或损耗因子等。另外,动态纳米压痕技术还可以实现对材料微纳米尺度存储模量和损耗模量的模量成像(modulus mapping)。图1 是美国Hysitron 公司生产的TI-900 Triboindenter 纳米压痕仪的实物图。纳米压痕作为一种较通用的微纳米力学测试方法,目前仍然有不少研究者致力于对其方法本身的改进和发展。在进行纳米力学测试时,需要注意避免外界干扰和噪声对测试结果的影响。
当前纳米力学主要应用的测试手段是纳米压痕和基于原子力显微镜(AFM) 的力—距离曲线方法,实际上还有另外一种基于AFM 的纳米力学测试方法——扫描探针声学显微术(atomic force acoustic microscopy,AFAM)。AFAM具有分辨率高、成像速度快、相对误差低、力学性能敏感度高等优点。然而,目前AFAM 的应用还不够普遍,相关领域的学者对AFAM 了解和使用的还不多。为此,我们在前期研究的基础上,经过整理和凝练,形成了这部专著,目的是推动AFAM这种新型纳米力学测量方法在国内的普遍应用。纳米力学测试在纳米器件的设计和制造中具有重要作用。广西纳米力学电镀测试
在纳米力学测试中,常用的测试方法包括纳米压痕测试、纳米拉伸测试和纳米弯曲测试等。广西纳米力学电镀测试
AFAM 方法提出之后,不少研究者对方法的准确度和灵敏度方面进行了研究。Hurley 等分析了空气湿度对AFAM 定量化测量结果的影响。Rabe 等分析了探针基片对AFAM 定量化测量的影响。Hurley 等详细对比了AFAM 单点测试与纳米压痕以及声表面波谱方法的测试原理、空间分辨率、适用性及测试优缺点等。Stan 等提出一种双参考材料的方法,此方法不需要了解针尖的力学性能,可以在一定程度上提高测试的准确度。他们还提出了一种基于多峰接触的接触力学模型,在一定程度上可以提高测试的准确度。Turner 等通过严格的理论推导研究了探针不同阶弯曲振动和扭转振动模态的灵敏度问题。Muraoka提出一种在探针微悬臂末端附加集中质量的方法,以提高测试灵敏度。Rupp 等对AFAM测试过程中针尖样品之间的非线性相互作用进行了研究。广西纳米力学电镀测试