金膜、光盘和LB膜的摩擦力显微镜研究

纳米摩擦学的提出适应现代科学技术发展的需要.传统的摩擦磨损和润滑理论经过百多年的发展,虽然已经比较完善地解决一般工程设计问题,但对于摩擦学机理的认识和实现主动控制还存在许多问题,特别是对于微型机械或超精密机械中,例如极轻载荷、纳米尺度间隙下的摩擦磨损和润滑问题.宏观摩擦学已不适用.摩擦力显微镜(Friction force micro-scope,以下简称FFM)的出现为人们能在纳米尺度上进行摩擦磨损实验提供了有效工具.虽然国外学者已利用FFM作了许多工作,但用FFM进行纳米摩擦学实验并不象宏观摩擦磨损实验那样成熟.我们在研制FFM的基础上利用FFM进行了尝试性试验,本文报道了一些初步结果.关于摩擦力显微镜的描述见文献[7].作为摩擦力显微镜力传感器用的微悬臂是通过镀膜、刻蚀等工序制作而成.微悬臂呈三角形结构,材料为Si_3N_4,自由端有一个金字塔形微探针.当探针与样品接触时,可以控制压电陶瓷的伸缩使微悬臂产生不同程度的弯曲,从而实现微载荷定量设定,微载荷可通过下式求得:L=k·△h=k·p·△V,(1)其中k是微悬臂的弹性系数;△h是微悬臂的法向位移;p为压电陶瓷的伸缩系数;△V为加在压电陶瓷上的电压变化.实验材料有3种,分别为精抛光玻璃表面真空沉积的金膜、激光唱盘基片和小分子花生酸与高分子液晶     

方解石表面的原子力显微镜研究

原子力显微镜(Atornic force microscope,简称AFM)是1985年Binnig等人发明的新型表面分析仪器叫,它和扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,简称STM)都是当今唯一能在正空间直接观察物质表面结构并具有原子级分辨率的仪器,但与STM不同的是,原子力显微镜不仅能观察导电物质的表面,而且能观察不导电物质的表面,因而具有更为广阔的应用范围。由于大多数矿物为绝缘体,因此AFM对于矿物学的研究有着特殊的意     

纳米摩擦学研究进展与存在问题

90年代国际上兴起的纳米科学技术被认为是面向21世纪的新科技,它是在0.1～100nm尺度上研究自然界现象中原子、分子行为与规律,以期在深化对客观世界认识的基础上,实现直接由人类按需要排布原子,制造出性能独特的产品.纳米科技的出现无疑是现代科学的重大突破,将深刻影响国民经济的未来发展,并由此派生出一系列的新学科。纳米摩擦学就是其中重要的分支。在纳米科技中,当前人们普遍关心和急需解决的理论与实践问题主要有:微材料特性、微观摩擦、磨损和润滑、微系统优化设计理论以及纳米级结构和制造工艺等。 现代机械科学的发展出现机电一体化、超精密化和微型化的趋势,许多高新技术装置如微电子设备、微型机器人、生物医疗器械和精密测试仪器等的摩擦副间隙常处于纳米量级。微型机械中因受到尺寸效应的影响,使表面粘着力、摩擦力和润滑膜粘滞力相对于传统机械中的体积力而言显得非常突出,微摩擦磨损和纳米薄膜润滑已成为关键问题,因此纳米摩擦学对现代机械的发展具有重要意义。     

AFM/FFM 测量参考样品云母的规范实验

在原子力／摩擦力显微镜（ＡＦＭ／ＦＦＭ）实验中，通常只能得到摩擦力信号的相对值，为了比较各种样品表面的微观摩擦性能，常选用新鲜解理的云母作为摩擦力测量的参考样品。由于新鲜解理云母表面摩擦性能的不稳定性，使得不同条件下在云母表面上测得的摩擦力信号有较大的变化。为此，需要通过对云母表面摩擦性能的系统研究，建立一个以云母为ＡＦＭ／ＦＦＭ摩擦力测试参考样品实验规范。实验结果表明，云母样品的摩擦特性受其解理     

基于AFM纳米机械刻划加工纳米结构及应用

原子力显微镜(AFM)是具有纳米级精度的检测设备,同时可应用于纳米结构的加工。AFM纳米加工已经成为微纳结构加工的有效方法之一,可广泛地应用于机械、物理、化学和生物医学等领域。文章首先简要介绍传统微纳加工方法,并对基于AFM的纳米机械加工方法进行详细介绍并分析了其相对优势;然后介绍了AFM加工得到的纳米沟槽和纳米点阵等结构在纳流控及拉曼检测等领域的应用,并对其未来的发展方向进行展望。综述展示了AFM纳米机械加工的应用潜力,为相关领域的研究提供了一种简单、可行的纳米加工方法。     

基于AFM纳米机械刻划加工纳米结构及应用

原子力显微镜(AFM)是具有纳米级精度的检测设备，同时可应用于纳米结构的加工。AFM纳米加工已经成为微纳结构加工的有效方法之一，可广泛地应用于机械、物理、化学和生物医学等领域。文章首先简要介绍传统微纳加工方法，并对基于AFM的纳米机械加工方法进行详细介绍并分析了其相对优势；然后介绍了AFM加工得到的纳米沟槽和纳米点阵等结构在纳流控及拉曼检测等领域的应用，并对其未来的发展方向进行展望。综述展示了AFM纳米机械加工的应用潜力，为相关领域的研究提供了一种简单、可行的纳米加工方法。     

纳米气泡对HOPG表面BSA吸附影响的AFM原位观察

利用原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)原位观察, 发现纳米气泡会影响牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)在疏水表面高序热解石墨(highly ordered pyrolytic graphite, HOPG)表面上的吸附. 在水/HOPG界面BSA分子可以均匀吸附并与纳米气泡共存. 注入乙醇除去纳米气泡后, 在原来纳米气泡的位置上BSA吸附层出现圆形空洞. 空洞的深度约8 nm, 直径在数十纳米. 纳米气泡与相应位置上空洞面积间的相关系数达0.88～0.94, 显示这些空洞确为纳米气泡所致. 另外, BSA分子环绕纳米气泡排列成环状, 说明在水/HOPG界面BSA倾向于吸附在接触线区域.     

原位纳米颗粒掺杂分子沉积膜的纳米摩擦学行为

利用分子沉积技术在石英和玻璃基底上制备了含有Cu²⁺的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)/聚丙烯酸(PAA)分子沉积膜, 然后将不同层数的分子沉积膜浸入到刚刚配制的硫化钠水溶液中. CuS纳米颗粒在分子沉积膜中原位生成, 从而制备原位纳米颗粒掺杂分子沉积膜. 利用紫外-可见光谱、XPS及原子力显微镜(AFM)对原位纳米颗粒掺杂分子沉积膜进行表征, 并利用AFM研究了膜的纳米摩擦学性能. 结果表明原位纳米颗粒掺杂分子沉积膜具有较小的摩擦力和较高的耐磨寿命.     

低能弹道电子对Au/Si界面电子透射性质影响的研究

金属/半导体界面的结构及性质一直是人们十分关注的研究领域,随着微电子技术的飞速发展,在微米、甚至纳米的微观尺度上研究探测界面的性质已经变得日益重要,弹道电子发射显微镜(Ballistic-electron-emission microscope,以下简称BEEM)是在扫描隧道显微镜(STM)基础上发展起来的一种最新的界面研究实验技术,如图1所示的BEEM实验采用的三电极系统中,STM针尖向沉积在半导体基底上的一层薄金属膜发射电子,运用平面隧道结WKB近似及测不准原理可以计算出,针尖发射的电子束在到达界面时其束径约为纳米量级,因此BEEM能够在纳米尺度上探测样品界面电子性质的分布特性.如果将探针定位于样品表面某点上,在保持针尖和样品表面的隧道电流I_t恒定的情况下扫描针尖电压V_t,还可获得得弹道电流互I_c与电子能量V_t的关系,称为弹道电子发射谱(Ballistic-electron-emmisison spectroscope,简称为BEES),BEES不仅反映出被探测纳米尺度区域界面的肖特基势垒高度,而且还提供了电子从发射针尖到半导体内部整个传输过程的有关信息,包     

磁头表面聚甲基丙烯酸氟代辛酯分子膜的制备及其摩擦学特性

采用浸涂方法在磁头表面制备聚甲基丙烯酸氟代辛酯(PFAM)分子膜, 对磁头表进行表面改性, 并利用时间飞行二次离子质谱仪(TOF-SIMS)、接触角测量仪和原子力显微镜(AFM)对PFAM分子膜表征. 测试结果表明, 浓度是影响分子膜厚度、表面形貌和摩擦特性的主要因素. 溶液浓度为500 μg/g时制备的分子膜具有最好的摩擦磨损性能, 磁头经过20000次起停循环后黏着力不超过2.4 g. 因此, 磁头表面制备致密且缺陷少的PFAM分子膜有助于磁头磁盘之间的润滑, 减少摩擦磨损, 提高磁头的摩擦磨损性能.     

扫描速率对硬盘表面摩擦特性的影响

利用摩擦力显微镜分别在大气和真空环境下对硬盘的表面摩擦特性随扫描速率的变化关系进行了研究分析. 结果表明, 在大气和真空环境下, 硬盘表面摩擦力大小均随扫描速率增大而降低; 且在真空环境下, 由于毛细管力消失, 表面黏着力降低, 摩擦力比大气环境中约小30%.     

纳米尺度下不同曲率半径针尖接触滑动过程的分子动力学模拟

针对不同磨损情况的原子力显微镜探针,运用三维分子动力学模拟方法研究不同曲率半径探针接触压入及滑动过程中单晶铜基体表面材料的变形及摩擦磨损机制.研究结果发现,在探针接触压入单晶铜基体时,接触作用力、位错及位错发射等缺陷随着接触深度或接触半径的增大而增加,位错发射方向为[101]和[101].探针在单晶铜基体表面滑动过程中,探针曲率半径增大,因材料塑性变形形成的沟槽、法向力及摩擦力也随之增大,而摩擦系数随之减小.堆垛层错沿着滑动方向扩展并随探针曲率半径增大而增多.此外,摩擦磨损过程中产生的隆起堆积原子数量随着探针曲率半径或滑动距离增大而增多.     

超音速等离子喷涂法制备La2O3和CeO2掺杂CoCrW涂层的摩擦学性能研究

利用一种新型的超音速等离子喷涂方法制备了稀土氧化物掺杂CoCrW涂层. 通过X射线衍射仪、接触表面形貌仪、显微硬度测试仪、多功能摩擦磨损试验机和具有EDS能谱的环境扫描电子显微镜对涂层的相结构、表面形貌、显微硬度、摩擦磨损性能进行了研究. 实验结果显示, 稀土氧化物掺杂涂层具有很高的显微硬度和优越的摩擦学性能. 同时, 对涂层的摩擦和磨损机理进行了研究.     

OTS分子膜的摩擦特性

在单晶硅和玻璃的基体上制备了十八烷基三氯硅烷（ＯＴＳ）的自组装膜，并采用自行研制的环境控制式点接触纯滑动微摩擦性能测量仪测试了其摩擦特性，考察了湿度对ＯＴＳ自组装膜及基体表面摩擦性能的影响。基体摩擦系数为０．４～０．５，在其表面制备ＯＴＳ自组装膜之后，摩擦系数降至０．１左右，且黏滑现象得到减轻，表明ＯＴＳ膜具有较好的润滑特性。由于ＯＴＳ自组装膜具有强斥水性，其摩擦学性能对湿度变化不敏感，在２０％～     

基于分子瓦自组装的DNA纳米管的制备与表征

利用DNA分子自组装技术可以构建从一维到三维不同形状的纳米结构,并且这些结构在微纳米电子学、纳米生物学等众多领域有许多潜在的用途.本文利用DNA分子瓦(tile)自组装技术,采用双交叉(DX)DNA分子瓦成功组装了一维DNA纳米管结构,聚丙烯酰胺凝胶电泳(native-PAGE)、透射电子显微镜(TEM)、荧光显微镜和原子力显微镜(AFM)对制得的DNA纳米管结构进行了表征,结果表明,组装成功的DNA纳米管直径在7～20nm之间,长度最长可以达到50μm以上.为了结构更加稳定,对分子瓦中每条DNA单链的5′末端进行磷酸化处理,自组装完成后利用T4DNA连接酶连接磷酸化修饰的DNA纳米管的缺口.AFM结果显示,使用T4DNA连接酶处理后的DNA纳米管更能保持完好的管状结构,表明连接处理后的DNA纳米管更加坚固,促进了DNA纳米管应用于微纳米领域的研究.     

基于树蛙脚掌的仿生六棱柱表面边界摩擦研究

湿润环境下软材料的摩擦受固液气多介质作用,一直都是摩擦理论的难点.师法自然,我们从自然界获取灵感,由树蛙脚掌能在湿环境中产生极强的摩擦力,来研究软材料在湿环境中的摩擦特性.本文表征了树蛙脚掌的结构和摩擦力,发现在边界摩擦状态下,界面间极薄的液膜有助于增大摩擦力.在树蛙脚掌湿摩擦力的启发下,设计制造出了一种仿生六棱柱增摩表面.通过对摩擦力表征发现,其边界摩擦能达到干摩擦的50倍.与光滑表面相比,仿生六棱柱表面能够产生稳定且持久的边界摩擦力,六棱柱表面亲水比疏水也有着更优异的边界摩擦性能.该研究结论有助于人们进一步认识软材料的湿摩擦机理,可以进一步帮助设计制造更强的湿吸附仿生表面.     

煤结构的STM和AFM研究

扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)是Binnig等人于80年代研制成功的新型表面分析仪器.它们具有原子级高分辨率,能够用于实时地观察原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质.将STM和AFM用于煤的研究,迄今为止尚未见报道.煤的主体由复杂的高分子化合物组成,结构极不均一.通过成像技术,在无降解的前提     

激光检测原子力显微镜的研制

扫描探针显微术(SPM)的基本原理最初在50年代由J.A.O'Keefe提出,1982年,Binnig和Rohrer等人研制成功第一台SPM——扫描隧道显微镜(STM),并因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。此后,Binnig又与Quate等人合作,于1986年推出第一台原子力显微镜(AFM)。和STM不同,AFM是通过探测微探针针尖与被测物质表面原子之间微弱的相互作用力来得到物质表面形貌的信息,不需在样品与探针之间形成电回路,不受样品导电性的限制,因而其应用领域更为广阔。目前,AFM已发展成为一种十分重要的表面分析     

超滑与摩擦起源的探索

摩擦消耗掉全世界约1/3的一次能源,磨损致使大约80%的机器零部件失效,每年因摩擦、磨损造成的经济损失约占国内生产总值(gross domestic product, GDP)的2%～7%.对于中国这样的制造大国,摩擦、磨损造成的损失占比较高.仅以5%计算, 2019年我国因摩擦、磨损造成的损失就可能达4.95万亿元.因此,如何减少摩擦、降低磨损是大家广为关注的问题,也是影响人类社会走向绿色、环保、有效利用资源和能源的关键因素之一.探索摩擦起源,实现超滑状态成为摩擦学研究的重大使命.超滑就是将摩擦系数呈数个数量级的降低,同时伴随磨损率呈数量级下降的一种新技术.本文重点介绍了我们课题组近期在超滑和微观摩擦能量耗散机制方面的研究进展,同时也对国内外相关研究进行了简要评述.     

云母和石墨表面结构的激光检测原子力显微镜研究

1986年,Binnig等人研制成功第一台原子力显微镜(AFM)。和STM不同,AFM不受样品导电性的限制,因而其应用领域更为广阔。1988年,国外开始对AFM进行改进,研制出激光检测原子力显微镜(Laser-AFM)。1989年,国外的Laser-AFM达到了原子级分辨率。目前,AFM已发展成为一种十分重要的表面分析仪器。我们在已有的STM和AFM基础上,又成功地研制出国内第一台全自动Laser-