本文關(guān)鍵詞：超聲原子力顯微鏡的微觀力學(xué)性能仿真研究

  更多相關(guān)文章： 超聲原子力顯微鏡 懸臂梁 動(dòng)態(tài)特性 有限元分析 針尖樣品接觸剛度

【摘要】：近年來,隨著微電子、微機(jī)械和材料科學(xué)的飛速發(fā)展,人們對(duì)微納米尺度的成像和檢測(cè)技術(shù)要求越來越高。傳統(tǒng)的成像和檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足我們?cè)诩{米尺度范圍內(nèi)的觀察和測(cè)量。具有納米級(jí)別超高分辨率的成像檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)變成了一個(gè)挑戰(zhàn),并且它影響著我們對(duì)很多材料微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究。傳統(tǒng)的聲學(xué)和光學(xué)檢測(cè)技術(shù)分辨率比較低,只能達(dá)到微米級(jí)。原子力顯微鏡和掃描探針顯微鏡只能對(duì)樣品的表面進(jìn)行成像,而不能對(duì)樣品的亞表面或內(nèi)部進(jìn)行成像。超聲原子力顯微鏡具有納米級(jí)別的超高分辨率和三維成像能力,不僅可以對(duì)樣品表面進(jìn)行成像,還可以對(duì)樣品內(nèi)部進(jìn)行成像,并且測(cè)量樣品材料的彈性模量和接觸剛度等力學(xué)性能。本文圍繞超聲原子力顯微鏡展開以下幾方面的工作：(1)介紹了超聲原子力顯微鏡相關(guān)的理論,包括針尖樣品接觸理論,局域接觸剛度模型；建立懸臂梁的動(dòng)力學(xué)理論模型,求解得到自由振動(dòng)狀態(tài)和接觸樣品時(shí)懸臂梁系統(tǒng)的特征方程和諧振頻率；根據(jù)赫茲理論模型求解針尖樣品接觸時(shí)的接觸剛度；推導(dǎo)出超聲原子力顯微鏡發(fā)出的超聲波因樣品內(nèi)部混有其它雜質(zhì)而產(chǎn)生的波的相位的變化量。介紹了應(yīng)用超聲原子力顯微鏡如何測(cè)量樣品材料彈性模量的方法,并且介紹了在已知樣品彈性模量的條件下如何獲得懸臂梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的方法。(2)建立懸臂梁探針樣品系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的有限元模型,對(duì)不同狀態(tài)下懸臂梁的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有限元分析,包括對(duì)懸臂梁進(jìn)行了自由振動(dòng)狀態(tài)下的模態(tài)分析和受載荷作用狀態(tài)下的諧響應(yīng)分析。自由振動(dòng)狀態(tài)下的模態(tài)分析得到懸臂梁的前三階振型和固有頻率。載荷作用下的諧響應(yīng)分析分析了不同作用載荷,不同接觸剛度,不同針尖位置對(duì)懸臂梁一階諧振頻譜的影響,包括對(duì)一階諧振頻率大小和振幅的影響。得到不同樣品材料的一階諧振頻率以及同種樣品材料在針尖壓入樣品深度不同時(shí)的一階諧振頻率的變化。(3)建立了與針尖相接觸的樣品的簡(jiǎn)化模型,用ANSYS有限元的方法對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)仿真,得到針尖樣品接觸表面接觸剛度的分布。分別仿真了不同作用載荷、不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)深度、不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸、不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀、不同樣品材料彈性模量等情況下針尖和樣品接觸的形變及剛度分布的變化,得到這些單一量變化對(duì)針尖樣品接觸剛度分布的影響；分析了兩個(gè)量同時(shí)變化時(shí)針尖樣品接觸表面中心點(diǎn)的形變及接觸剛度的變化,得到兩者同時(shí)變化時(shí)對(duì)針尖樣品接觸剛度的影響。
【關(guān)鍵詞】：超聲原子力顯微鏡 懸臂梁 動(dòng)態(tài)特性 有限元分析 針尖樣品接觸剛度
【學(xué)位授予單位】：安徽工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH742
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 引言13-14
• 1.2 原子力顯微鏡簡(jiǎn)介14-21
• 1.3 超聲原子力顯微鏡的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-25
• 1.4 課題研究目的及論文主要內(nèi)容25-27
• 第2章 超聲原子力顯微鏡的基本理論27-40
• 2.1 針尖樣品相互作用的基本理論27-31
• 2.1.1 針尖樣品接觸理論27-28
• 2.1.2 局域接觸剛度模型28-29
• 2.1.3 赫茲模型29-31
• 2.2 懸臂梁動(dòng)力學(xué)理論模型31-36
• 2.2.1 懸臂梁自由狀態(tài)下的振動(dòng)模型31-33
• 2.2.2 懸臂梁與樣品接觸時(shí)的振動(dòng)模型33-36
• 2.3 超聲波振幅與相位的變化36-38
• 2.4 本章小結(jié)38-40
• 第3章 懸臂梁的動(dòng)態(tài)特性分析40-51
• 3.1 ANSYS有限元法簡(jiǎn)介40-41
• 3.2 懸臂梁自由振動(dòng)模態(tài)分析41-43
• 3.3 懸臂梁的諧響應(yīng)分析43-49
• 3.3.1 作用載荷不同對(duì)頻譜的影響45-47
• 3.3.2 接觸剛度不同對(duì)頻譜的影響47-48
• 3.3.3 不同針尖位置對(duì)頻譜的影響48-49
• 3.4 本章小結(jié)49-51
• 第4章 樣品接觸剛度有限元分析51-62
• 4.1 單一量變化對(duì)接觸剛度的影響51-57
• 4.1.1 作用載荷大小變化52-53
• 4.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)位置變化53-54
• 4.1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸變化54-55
• 4.1.4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀變化55-56
• 4.1.5 內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料選擇不同56-57
• 4.2 兩者同時(shí)變化時(shí)接觸剛度變化57-60
• 4.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料的尺寸和位置同時(shí)變化57-58
• 4.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸和材料彈性模量同時(shí)變化58-59
• 4.2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)位置和材料彈性模量同時(shí)變化59-60
• 4.3 本章小結(jié)60-62
• 第5章 總結(jié)與展望62-65
• 5.1 論文的主要內(nèi)容62-64
• 5.2 未來工作展望64-65
• 參考文獻(xiàn)65-71
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄71-72
• 致謝72

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 陳注里;李英姿;錢建強(qiáng);陽(yáng)睿;;原子力顯微鏡的幾種成像模式簡(jiǎn)介[J];電子顯微學(xué)報(bào);2013年02期

2 何存富;張改梅;吳斌;;Quantitative measurement of local elasticity of SiO_x film by atomic force acoustic microscopy[J];Chinese Physics B;2010年08期

3 張杰;李疆;翁海珊;;原子力顯微鏡的力曲線分析與轉(zhuǎn)化[J];機(jī)械;2007年12期

4 朱杰,孫潤(rùn)廣;原子力顯微鏡的基本原理及其方法學(xué)研究[J];生命科學(xué)儀器;2005年01期

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本文編號(hào)：1025302