聲摩擦力掃描顯微鏡的非線性振動機理及套用基礎研究

《聲摩擦力掃描顯微鏡的非線性振動機理及套用基礎研究》是依託南京大學，由張輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：聲摩擦力掃描顯微鏡的非線性振動機理及套用基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張輝
• 依託單位：南京大學

項目摘要

由於晶體表面周期性微觀結構的影響，探針與晶體表面間存在著奇異的摩擦效應，利用它激勵懸臂樑將產生複雜的非線性回響，這蘊含著納米尺度下晶體表面的力學和摩擦學信息。一方面，通過考察晶體表面摩擦力對懸臂樑非線性振動的影響規律，能揭示出納米尺度下探針-晶體表面間的非線性摩擦機理。另一方面，探針-晶體表面間的耦合振動狀態能反映微觀接觸界面的力學行為，所激發的懸臂樑高次振動的頻率、幅度和相位信息能對樣品表面的力學參量進行表征和成像。此外，利用超聲激勵對探針-晶體之間的耦合振動進行精確控制，能對納米尺度的摩擦力進行調控，製備超潤滑納機電系統。本項目結合申請人近年來在以上內容的相關工作，研究探針-樣品之間的耦合振動機理和微懸臂樑的高次振動回響，利用聲摩擦力掃描顯微鏡對表面力學參量進行表征,並探索在縱向和橫向二維超聲激勵下的摩擦力調控規律和實現超潤滑狀態的條件。

結題摘要

由於晶體表面的微觀結構，探針在其表面運動時受到微觀摩擦效應的影響。如果利用超聲激勵附著在懸臂樑上的探針，將會產生複雜的非線性回響，這蘊含著納米尺度下晶體表面的力學和摩擦學信息。這些物理信息為揭示納米尺度下的摩擦力調控機制和晶體表面力學參量的表征、成像提供新的研究方法。所以，本項目研究了超聲激勵下的聲摩擦力掃描顯微鏡中探針與晶體表面間非線性摩擦行為，建立了摩擦力與掃描懸臂樑耦合振動特徵參量間的關係。通過研究非線性摩擦力的約束條件，建立了懸臂樑扭轉-彎曲耦合振動理論模型；並給出了晶體納米材料表面力學參量的表征方法。此外，通過研究晶體表面摩擦勢的變化規律，建立了二維超聲激勵下的探針與晶體納米材料間摩擦力模型。並探索了二維超聲激勵下的納米尺度摩擦力調控機理和實現超潤滑狀態的條件。另一方面，為解決超聲激勵下聲能量的有效傳輸問題,本項目研究了聲波調控的新結構和新方法。通過對多層聲介質的聲穿透進行研究，提出了非完美阻抗匹配的方法，實現了聲能量在多層異型介質中的有效傳播。利用耦合諧振，實現了在阻抗嚴重失配條件下的聲異常透射。以上問題的深入研究有助於理解和掌握超聲激勵下的探針-樣品之間的摩擦力變化規律，揭示聲摩擦力掃描顯微鏡中懸臂樑的非線性振動機理和振動控制方法，相關結果也將為納米尺度下的摩擦力調控及表面力學參量表征提供重要的理論和實驗基礎。