一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，包括下述步骤：在标准实验室环境条件下，测量待测探针法向弹性系数kn和法向灵敏度Sn；测量探针悬臂梁长度l，悬臂梁厚度t及针尖高度h；将kn、Sn、l、t、h的数据代入横向力标定系数α计算公式，即可估算探针的横向力标定系数。本发明专利技术的优点在于：(a)本方法不需要使用辅助光栅及任何衬底，可有效降低成本；(b)本方法基于待测探针的结构参数，着重考虑探针本身属性，避免了外部因素对标定的影响；(c)本方法计算简便、各参数能够简单快速获得，可广泛适用于矩形微悬臂梁的AFM探针的横向力标定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法
本专利技术公开了一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法。属于原子力显微镜的探针标定

技术介绍
扫描探针显微镜已经广泛应用在众多领域中，特别是原子力显微镜技术已经成为表面力学性能检测的一个重要工具，是架接宏观和微观的一个强有力的桥梁，为纳米尺度的材料机械性能研究带来了极大方便。例如哥伦比亚大学的C.Lee等利用AFM研究了几种不同纳米尺度材料的摩擦性能(Science,2010,328:76-80),国内清华大学摩擦学国家重点实验室的温诗铸等利用AFM对石墨烯的纳米摩擦与磨损性能进行了系列研究(ActaPhys.-Chim.Sin，2013,29(7),1582-1587)。AFM在纳米摩擦学和纳米力学研究有着广泛的应用，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(Surfacesciencereports,2005,59(1):1-152.)，例如黏附力、摩擦力等，而AFM所测出的电压信号却不能直接由仪器转换为力，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。因此其法向和横向力转换系数是力学量检测中的一个重要测量内容，法向转换系数的测量已经有一些较为成熟的方法，而横向力的标定是原子力显微镜中标定的一个关键和复杂的问题。它直接关系到在微纳米尺度下界面力的定量化。近些年来，学者们提出了几种主要的微悬臂梁横向力标定方法，例如南澳大学的A.Feiler提出了力-位移曲线杠杆法(Rev.Sci.Instrum,2000,71：2746-2750)标定探针横向力转换系数。但是通用的AFM设备中只有常规的法向力-位移的关系曲线,没有横向力-位移关系曲线，而且将微米球黏附到杠杆上并最终粘接到探针上并不容易；澳大利亚墨尔本大学的HuabinWang提出的楔形法(Ultramicroscopy,2014,136:193-200.)标定探针横向力转换系数。但这种方法需要专门加工特定的斜坡光栅样品，并且需要多次测量以及较为复杂的计算。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，但仍然需要辅助光栅，计算相对复杂。本课题组也提出过一种基于Amontons定律的探针横向力快速标定方法，但是该方法需要使用标准衬底材料，测量标准衬底的横向力信号及黏附力，需要测量多组载荷与摩擦力电信号数据；另外，需要查通过查找文献，获得所用衬底材料的摩擦系数并作为已知参数，这将会不可避免的增大测量结果的误差，导致过程复杂、计算量大、成本高。因此，迫切需要发展一种简单高效，成本低廉的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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种AFM探针/微悬臂梁横向力的标定方法，此方法基于AFM探针结构参数来测量AFM探针横向力标定系数，具有简单高效，容易操作的优点，可广泛适用于矩形截面探针/微悬臂梁的横向力标定系数的测量。本专利技术一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，包括下述步骤：第一步：采用热常数法，通过原子力显微镜测量待测探针法向弹性系数kn和法向灵敏度Sn；第二步：测量探针悬臂梁长度l，悬臂梁厚度t及针尖高度h；第三步：将第一步、第二步得到的数据代入式(6)中，计算得到AFM探针的横向力标定系数α；本专利技术一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，测量探针悬臂梁长度l，悬臂梁厚度t及针尖高度h，是将探针置于目镜标有刻度的光学显微镜下进行测量。本专利技术一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，待测探针的悬臂梁形状为矩形截面。本专利技术一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，法向弹性系数kn和法向灵敏度Sn在标准实验室环境条件下测量。本专利技术一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，标准实验室环境条件是指超净间，温度为20℃，湿度为52％。本专利技术的原理简述于下：(1)根据Hooke定律可的式(1)：Fl＝klxl＝klSlVl(1)其中，参数Fl为摩擦力；参数kl为探针横向弹性系数；参数xl为探针针尖横向位移；参数Sl为探针横向灵敏度；参数Vl为摩擦实验测得的电信号。(2)根据AFM摩擦力测力原理可得式(2)；Fl＝α×Vl(2)其中，参数Fl为摩擦力；参数Vl为摩擦实验测得的电信号；参数α为横向力标定系数。(3)根据AFM探针内部结构原理，AFM中光电检测器是旋转对称的，等量的梁法向、横向位移将引起相同的光电流，由此可得横向、法向灵敏度之间关系为方程③：其中，参数Sl为探针横向灵敏度；参数Sn为探针法向灵敏度；参数E为探针杨氏模量；参数G为探针剪切模量；参数l为探针悬臂梁的长度；参数h为针尖高度；参数t为悬臂梁厚度。(4)根据欧拉梁理论可得：探针弹性参数与探针(矩形截面)几何尺寸的关系如式(4)、(5)：其中，参数kn为法向弹性系数；参数kl为横向弹性系数；参数E为探针杨氏模量；参数G为探针剪切模量；参数l为探针悬臂梁的长度；参数h为针尖高度；参数t为悬臂梁厚度；参数w为探针悬臂梁的宽度。(5)联立方程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可得，式(6)，AFM探针横向力标定系数α：本专利技术具有以下优点：(a)本方法不需要使用辅助光栅及任何衬底，可有效降低成本；(b)本方法基于待测探针的结构参数，着重考虑探针本身属性，避免了外部因素对标定的影响；(c)本方法计算公式简便、各参数能够简单快速获得，可广泛适用于矩形微悬臂梁的AFM探针的横向力标定。相比于本课题组提出的一种基于Amontons定律的探针横向力快速标定方法,(a)本专利技术所用参数都能准确测得，从而提高了标定精度；(b)没有用到标准衬底，从而避免了标准衬底所可能带来的实验误差；(c)本专利技术不需要测量多组载荷与摩擦力电信号数据，不需要测量基底黏附力，标定过程简单易行，大大节约时间。附图说明图1是本专利技术所述利用探针结构参数标定AFM探针横向转换系数的流程图；图2是本专利技术实施例1、2所用探针结构参数的示意图；图3是实施例1中待测探针的热噪声功率密度谱；图4是实施例1中待测探针在光学显微镜下的形貌结构图；图5是实施例2中待测探针的热噪声功率密度谱；图6是实施例2中待测探针在光学显微镜下的形貌结构图；从图3得到是探针热噪声功率密度谱，通过AFM对热噪声功率密度谱图中面积积分后对时间取平均，直接计算给出Kn、Sn。从图5得到是探针热噪声功率密度谱，通过AFM对热噪声功率密度谱图中面积积分后对时间取平均，直接计算给出Kn、Sn。具体实施方式一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，其特征在于，包括以下几个步骤：1、基于AFM探针结构参数，考虑AFM结构原理和摩擦力测力原理，利用热常数法，提出测量AFM探针横向力标定系数的原理；(1)Hooke定律可知：Fl＝klxl＝klSlVl(1)其中，参数Fl为摩擦力；参数kl为探针横向弹性系数；参数xl为探针针尖横向位移；参数Sl为探针横向灵敏度；参数Vl为摩擦实验测得的电信号。(2)AFM摩擦力测力原理为：Fl＝α×Vl(2)其中，参数Fl为摩擦力；参数Vl为摩擦实验测得的电信号；参数α本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，包括下述步骤：第一步：测量待测探针法向弹性系数kn和法向灵敏度Sn；第二步：测量探针悬臂梁长度l，悬臂梁厚度t及针尖高度h；第三步：将第一步、第二步得到的数据代入式(6)中，计算得到AFM探针的横向力标定系数α；

【技术特征摘要】
1.一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，包括下述步骤：第一步：测量待测探针法向弹性系数kn和法向灵敏度Sn；第二步：测量探针悬臂梁长度l，悬臂梁厚度t及针尖高度h；第三步：将第一步、第二步得到的数据代入式(6)中，计算得到AFM探针的横向力标定系数α；2.根据权利要求1所述的一种基于AFM探针结构参数的横向力标定方法，其特征在于：待测探针法向弹性系数kn和法向灵敏度Sn通过原子力显微镜，采用热常数法测量。3.根据权利要求1所述的一种基于A...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑学军，冯东东，彭金峰，严鑫洋，张欢，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43