微懸臂樑法向和橫向彈性常數可溯源性標定方法研究

《微懸臂樑法向和橫向彈性常數可溯源性標定方法研究》是依託天津大學，由傅星擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微懸臂樑法向和橫向彈性常數可溯源性標定方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：傅星
• 依託單位：天津大學

項目摘要

納米力學特性的表征對納米材料的研究與套用具有重要意義。原子力顯微鏡是納米力學特性表征的重要工具之一，原子力顯微鏡微懸臂樑的法向和橫向彈性常數直接決定著力學測量的準確性，同時也影響納米量級操縱和加工的效果。本項目研究一種精密天平與雷射干涉相結合的微懸臂樑彈性常數可溯源性標定新方法，旨在提高微懸臂樑法向和橫向彈性常數的測量精度，進而提高原子力顯微鏡納米力學特性表征的精度，為納米材料的研究提供更為可靠的實驗數據；也可改善基於探針的納米量級操縱和加工的效果，為納米技術的真正套用提供技術依託。本項目的研究還可為建立微懸臂樑力學性能校驗標準提供理論與實驗基礎。.本項目中設計的實驗平台還可為開發新型的納米力學特性測量儀器提供技術儲備，並帶動相關領域的研究與開發。

結題摘要

微懸臂樑具有結構簡單、高靈敏度、成本低等特點，是納米測試技術中的常用工具，尤其作為原子力顯微鏡探針時，在表面形貌測試、納米操縱方面套用廣泛，而作為力的感應元件微懸臂樑彈性常數對於掃描速度、力的測量等影響很大。本項目研究了一種新的精密天平與雷射干涉相結合的微懸臂樑彈性常數可溯源性標定方法，通過天平求出載入力值，通過光槓桿法求出微懸臂樑的偏轉量，最後由胡克定律求出彈性常數。該方法提高了微懸臂樑法向和橫向彈性常數的測量精度，進而提高了原子力顯微鏡納米力學特性表征的精度，為納米材料的研究提供更為可靠的實驗數據；也改善了基於探針的納米量級操縱和加工的效果，為納米技術的真正套用提供技術依託。 本項目完善了基於電磁天平標定微懸臂樑法向彈性常數的技術理論，提出了法向測量時橫向扭轉對標定結果影響的修正方法；將斜面法和天平相結合，建立原位標定橫向彈性常數的數學模型。設計並搭建了超精密天平與光槓桿法結合的微懸臂樑彈性常數標定系統，微懸臂樑的法向、橫向偏轉量由光槓桿獲得，彎曲力由天平測得；通過對系統的機械部件、光學系統及測控電路的最佳化提高了標定系統的穩定性和準確性，將系統的機械噪聲降至最低，實現了微懸臂樑的法向和橫向運動、彎曲量的獲取等功能；對七種型號的微懸臂樑探針進行了標定，測量結果的重複性較好，並對標定結果進行了分析，其相對標準不確定度的A類評定優於1%。 由於本方法力的測量結果具有可溯源性，具有其他方法不可比擬的優勢。本項目中設計的實驗平台還可為開發新型的納米力學特性測量儀器提供技術儲備，並帶動相關領域的研究與開發。 在本項目的資助下，共發表研究論文13篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索9篇；獲得2項國家發明專利授權；培養2名博士、1名碩士畢業並獲得學位。