原子力顯微鏡針尖-樣品分子動(dòng)力學(xué)仿真及動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一門多學(xué)科交叉的綜合科學(xué)，MEMS動(dòng)力學(xué)研究是其中的重要分支，而對原子力顯微鏡中針尖-樣品耦合系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)研究非常關(guān)鍵。目前，對針尖-樣品間作用力的研究還處于探索階段，且針尖-樣品間的作用力也沒有固定的表達(dá)式，因此，針對上述問題，本文的主要研究內(nèi)容及成果如下：
　?。?）針對原子力顯微鏡中探針-樣品系統(tǒng)間力學(xué)特性的復(fù)雜性，本文采用數(shù)值模擬方法，以分子動(dòng)力學(xué)為主要工具，建立了針尖-樣品系統(tǒng)的分子動(dòng)力學(xué)模

2、型，采用混合勢模擬了針尖靠近樣品過程中的相互作用力，得到了力-距離曲線及力-距離關(guān)系表達(dá)式。詳細(xì)的討論和分析了系統(tǒng)在不同溫度下及探針針尖在不同移動(dòng)速度下針尖-樣品間的相互作用力，進(jìn)而探討了不同樣品材料對針尖-樣品間的相互作用力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)針尖距離樣品大約2埃時(shí)，它們間的相互作用力明顯增大，但排斥力為主要作用，且在表面效應(yīng)的作用下，當(dāng)針尖接觸樣品表面乃至分離后，仍有部分樣品原子吸附在針尖表面。
　?。?）基于該表達(dá)式，建立了

3、針尖-樣品系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型及動(dòng)力學(xué)方程，運(yùn)用多尺度法求解了系統(tǒng)的控制方程，得到了系統(tǒng)的頻率響應(yīng)方程。分別探討了系統(tǒng)的固有頻率、響應(yīng)幅值、激勵(lì)力振幅及立方剛度項(xiàng)與頻響曲線之間的相互關(guān)系。采用數(shù)值仿真方法研究了不同樣品材料對原子力顯微鏡針尖-樣品耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響，對比了針尖距離樣品表面不同位置時(shí)的時(shí)間歷程圖和相位圖，并繪制了AFM針尖-樣品系統(tǒng)響應(yīng)隨著樣品參數(shù)A變化的分岔圖。結(jié)果表明，針尖-樣品系統(tǒng)中存在豐富的周期運(yùn)動(dòng)，不同AFM針