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用于材料粘弹特性表征的扫描热噪声原子力显微术

摘要：作为微纳米研究领域的重要表征工具，原子力显微镜（AFM）不仅被广泛应用于高分辨表面形貌成像，亦对材料粘弹特性测量、摩擦性能表征等纳米力学表征需求不可或缺。在其几种纳米力学表征方法中，接触共振原子力显微镜（CR-AFM）因其定量粘弹特性测量^[1]及亚表面成像^[2]能力而受到关注。在CR-AFM中，我们通过获取针尖与样品处于接触状态下AFM探针的共振频谱，再结合合适的探针振动模型及针尖、样品间作用力模型来实现对材料纳米尺度弹性模量及损耗因子的定量表征。通常，我们需要引入外部超声振动来调制针尖、样品间作用力从而获取探针共振特性参数。然而，引入机械振动往往会同时激发系统其他振动，从而造成探针接触共振频谱上的“伪峰”干扰，对正确提取系接触共振参数造成障碍，这在液体测量环境下尤其严重。另外，通过同时获取探针的弯曲及扭转振动共振参数可实现对材料弹性模量与剪切模量的同时表征。然而，这要求系统具备同时激励探针弯曲与扭转振动的功能。在本文中，我们通过直接利用AFM探针在与样品接触状态下的热噪声信号，来获取探针的弯曲及扭转接触共振频谱，从而实现对材料弹性模量、泊松比及损耗因子的定量表征。结果表明通过热噪声谱分析可获取干净的接触共振频谱，利于基于CR-AFM的定量纳米力学表征，其优势在液相环境中更为明显。另外，我们亦对接触状态下的探针热噪声大小进行了理论分析，结果得到实验测量的很好验证^[3]。

关键词：原子力显微镜；热噪声；弹性模量；损耗因子；泊松比