湿度对液桥中毛细力和能量耗散的影响

赵爽，翟伟国，李洪波

湿度对液桥中毛细力和能量耗散的影响

赵爽，翟伟国，李洪波

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471023）

原子力显微镜（AFM）在扫描图像过程中会产生赝像的重要因素是：在探针和基底表面接触过程中，两者之间会生成一种带有黏附力的结构，称之为液桥。在大气环境下，不同的湿度条件能够影响液桥的形成和断裂，而液桥的存在会使得原子力显微镜在扫描成像过程中，悬臂梁自由端的受力和能量产生变化，最终干扰扫描成像的质量。研究不同湿度对于针尖和基底之间的毛细力Fmax、能量耗散η的影响，选择最佳的成像条件，可以提高AFM工作的准确性和可靠性。关键词：湿度；液桥；毛细力；能量耗散

原子力显微镜（AFM）的研究对象包括导体、半导体以及绝缘体等材料，它的工作原理是通过检测针尖和样品之间的分子间作用力来成像，它的出现促进了纳米技术和微型机电系统的发展[1]。AFM的工作原理如图1所示。

图1 AFM工作原理

从图1的工作原理示意图中可以看到，AFM成像的关键部件是微悬臂梁。微悬臂梁结构是一个力敏感元件，能够对纳力量级的作用力产生感应。由于液桥的存在，在扫描成像过程中悬臂梁的受力发生变化，从而使得扫描结果发生偏差产生赝像。为了能够得到高分辨率的扫描图像，需要清楚地了解毛细力带来的干扰作用。不同的操作环境、不同的样品表面会形成不同体积的液桥，使得针样之间的毛细力发生变化，对悬臂梁的振动特性带来不同的干扰作用，最终造成扫描形貌质量的不同。……