本發明AFM探針橫向力標定系數測量方法及橫向力標定方法，屬于納米科技和納米摩擦學的交叉領域，測量方法是在標準實驗室環境條件下，利用AFM，測量試樣在同一區域承受不同法向載荷F_n下的摩擦力電信號U_f及表面黏附力F_ad；代入U_fβ＝k(F_n+F_ad)中，采用最優參數估計法求解出橫向力標定系數β，從而實現橫向力標定。本發明的優點在于：(a)本方法使用的材料具有任意性，不需加工，取材方便，成本低；(b)本方法基于Amontons定律，考慮了黏附力對標定的影響，計算過程簡單、快速、準確，可廣泛適用于各類AFM探針和微懸臂梁的橫向力標定。

技術領域

本發明公開了一種AFM探針橫向力標定系數測量方法及橫向力標定方法，更具體是一種基于Amontons(阿蒙東)定律利用摩擦力測力裝置測量AFM探針橫向力標定系數的方法及AFM探針橫向力標定方法。屬于納米科技和納米摩擦學技術交叉領域。

背景技術

在過去的20年里面，隨著掃描探針顯微鏡，特別是原子力顯微鏡技術的發展，為納米尺度的材料機械性能研究帶來了極大方便。例如俄亥俄州立大學的Bhushan等利用AFM(原子力顯微鏡)做了一系列實驗研究納米尺度材料的力學、摩擦學性能(Wear,2005,259(7):1507-1531)，國內清華大學摩擦學國家重點實驗室的溫詩鑄、錢林茂等AFM進行了多種納米材料的摩擦與磨損研究(機械工程學報,2007,43(10):7-8.)。

AFM在納米摩擦學和納米力學研究有著廣泛的應用，但由于原子力顯微鏡技術的局限性，特別是AFM探針的力標定問題，使得定量分析納米尺度的材料機械或者摩擦性能十分困難。原子力顯微鏡力曲線與摩擦力模塊利用探針變形后反射激光導致光電反應器上電壓偏轉的關系來反應材料表面的力學性質(Surface science reports,2005,59(1):1-152.)，例如黏附力、摩擦力等，而AFM所測出的電壓信號不能由儀器直接轉換為力，每個探針都需要對其本身的物理參數進行標定后才能轉換(Langmuir,2006,22(5):2340-2350.)，分為法向力標定和橫向力標定。

在原子顯微鏡探針橫向力標定方面，學者們提出了一些解決辦法，例如澳大利亞墨爾本大學的Huabin Wang提出的楔形法(Ultramicroscopy,2014,136:193-200.)標定探針橫向力。但這種方法需要專門加工特定的斜坡光柵樣品，整個測試與分析過程十分繁雜，標定效率低下成本高；德國漢堡大學應用物理研究所和微觀結構研究中心提出的兩步法(Review of scientific instruments,1996,67(7):2560-2567.)標定探針橫向力，通過探針本身的幾何參數和物理參數來計算橫向力，計算復雜且標定誤差高達30％至50％，顯然不太準確；國內西南交通大學的余家欣和錢林茂提出了一種改進的楔形法(摩擦學學報,2007,27(5):472-476.)，考慮了標定系數隨載荷變化的趨勢，但沒有本質上的創新。

因此迫切需要引入一種標定成本低廉且效率和準確度較高的AFM探針橫向力標定方法來滿足納米尺度的力學和摩擦學研究需要。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種AFM探針橫向力標定系數測量方法及橫向力標定方法。

本發明基于Amontons定律利用摩擦力測力裝置來測量AFM探針橫向力標定系數，具有步驟簡單，易操作的優點，且標定誤差小，可廣泛適用于各種類型的探針或微懸臂梁的橫向力標定系數的測量。

本發明基于Amontons定律，考慮AFM摩擦力測力原理，利用標準材料，提出了測量AFM探針橫向力標定系數的實驗方法原理模型；

(1)微納尺度的Amontons定律本構方程為：

F_f＝k(F_n+F_ad)……(3)