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二氧化硅胶体探针微球磨损过程的原子力显微镜研究

作　者: 陈新强
导　师: 甘阳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理化学
关键词: 原子力显微镜胶体探针磨损表面力反成像技术
分类号: TB302.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）已经广泛用于表面力测量。研究者常把微球粒子粘在AFM弹性悬臂上测量表面力。但是在力测量过程中,微球与不同的表面接触会产生不同程度的磨损、污染,从而影响AFM表面力测量的准确性。AFM使用者已经开始注意到在测量表面力过程中胶体探针微球的磨损,但都没有对胶体探针的磨损及其对表面力测量的影响进行系统的研究。本文采用“无线法”在AFM悬臂上粘结直径为5μm二氧化硅微球,获得无污染的胶体探针;利用Piranha溶液分别清洗玻璃、Al₂O₃得到清洁的磨损表面;第一次采用AFM反成像技术,系统的研究了二氧化硅胶体探针微球在云母、玻璃、Al₂O₃三种基底上的磨损过程;并研究了磨损对表面力测量的影响。控制磨损条件,采用反成像技术研究具有不同硬度、不同粗糙度的云母、玻璃、Al₂O₃三种基底对微球磨损的影响。二氧化硅胶体探针微球的磨损不仅与基底的粗糙度有关,而且还与其表面的硬度有关。发现负载力为800nN,磨损区域为1μm×1μm,磨损120min,在粗糙度最大的玻璃上磨损后,微球表面形貌变化最大;在最硬的Al₂O₃上磨损后微球表面形貌变化次之;在粗糙度最小、硬度最小的云母上磨损后微球表面形貌变化最小。微球磨损后,立即用AFM研究微球与不同基底和云母上（基准样品）粘附力的变化情况。粘附力在基底和云母上都会增大,而且随磨损时间增加,直到60分钟,粘附力的增大速度较快;随后随着磨损的进行,粘附力的增大速度逐渐减缓。粘附力的增大的原因是:微球磨损后部分材料被削去形成平台,且平台直径逐渐增大,导致胶体探针微球和基底表面之间的有效接触面积增大。对比在玻璃和云母上磨损后的粘附力变化,发现随磨损时间的增加,120min后,在玻璃上测得的粘附力增加了6.37倍,在云母上测量的粘附力变化更快-增加了55.52倍。对比在Al₂O₃和云母上磨损后的粘附力变化,也发现了类似的变化规律。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-24
  1.1 原子力显微镜及其应用  10-14
    1.1.1 显微镜和原子力显微镜  10
    1.1.2 原子力显微镜的工作原理  10-11
    1.1.3 原子力显微镜悬臂弹性常数的测定  11-13
    1.1.4 原子力显微镜的应用  13-14
  1.2 胶体探针技术  14-16
    1.2.1 力曲线的获得  14-15
    1.2.2 胶体探针的制备  15-16
  1.3 表面力理论  16-19
    1.3.1 毛细力  17
    1.3.2 Van der waals力  17-18
    1.3.3 静电力  18-19
  1.4 课题的研究现状  19-22
    1.4.1 AFM探针磨损的研究现状  19-20
    1.4.2 AFM探针和基底之间表面力的研究现状  20-22
  1.5 课题研究的目的意义及研究内容  22-24
    1.5.1 课题研究的目的意义  22
    1.5.2 课题的研究内容  22-24
第2章实验材料及研究方法  24-34
  2.1 实验材料及设备  24-25
    2.1.1 实验材料  24
    2.1.2 实验仪器  24-25
  2.2 胶体探针的制备及表征  25-29
    2.2.1 AFM针尖的磨损及表征  25-26
    2.2.2 二氧化硅胶体探针的制备  26-27
    2.2.3 无污染二氧化硅胶体探针的确定  27-29
  2.3 悬臂弹性常数的测定  29-30
  2.4 实验基底材料的清洗  30-31
    2.4.1 玻璃的清洗  30-31
    2.4.2 Al_20_3单晶的清洗  31
  2.5 胶体探针微球的磨损实验及力曲线的测量  31-34
    2.5.1 胶体探针微球在云母上的磨损实验及力曲线的测量  31-32
    2.5.2 胶体探针微球在玻璃上的磨损实验及力曲线的测量  32
    2.5.3 胶体探针微球在Al_20_3单晶上的磨损实验及力曲线的测量  32-34
第3章微球在云母上的磨损及其对粘附力测量的影响研究  34-45
  3.1 I类间断磨损实验及其结果分析  34-38
  3.2 II类间断磨损实验及其结果分析  38-41
  3.3 连续磨损实验及其结果分析  41-44
  3.4 本章小结  44-45
第4章微球在玻璃上的磨损及其对粘附力测量的影响研究  45-57
  4.1 玻璃的清洗的结果及分析  45-48
    4.1.1 NaOH清洗  45-47
    4.1.2 Piranha清洗  47-48
  4.2 Piranha清洗玻璃表面的磨损实验及其结果分析  48-56
    4.2.1 I类间断磨损实验及其结果分析  49-51
    4.2.2 II类间断磨损实验及其结果分析  51-54
    4.2.3 连续磨损实验及其结果分析  54-56
  4.3 本章小结  56-57
第5章微球在Al_20_3单晶上的磨损其对粘附力测量的影响研究  57-66
  5.1 Al_20_3单晶的清洗的结果及其分析  57-58
    5.1.1 接触角测试  57
    5.1.2 AFM表面形貌表征  57-58
  5.2 Al_20_3单晶表面磨损结果及其分析  58-65
    5.2.1 I类间断磨损实验及其结果分析  58-60
    5.2.2 II类间断磨损实验及其结果分析  60-63
    5.2.3 连续磨损实验及其结果分析  63-65
  5.3 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-72
致谢  72

二氧化硅胶体探针微球磨损过程的原子力显微镜研究

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