表面力仪中等色序条纹(FECO)精确度的实验研究

　　表面力仪(Surface ForceApparatus)是一种在润滑、流变及粘着研究中应用十分广泛的仪器,它最主要的功能之一是能精确测量接触表面的微小的表面间隙,其测量精度在理论上能达到0·1 nm。Tabor和W interton[1]在1969年提出表面力仪的最初设想并在理论上予以论证, Israelachvili (1972)[2]在1971年设计制造出第一台实用的表面力仪,其核心技术是Fringes ofEqualChromatic Order (FECO)方法。经过多年的不断完善和发展,表面力仪已经成为继原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)之后,纳米科学领域重要的研究工具之一,在微尺度润滑、粘着和表面科学的实验研究中得到了广泛的应用。

　　1　表面力仪光学系统的结构及原理

　　1·1　表面力仪光学结构和间隙测量原理

　　表面力仪的光学系统由光源、光纤、显微镜、全反射三棱镜和单色仪等几个主要部分构成。上下柱面试样轴线成直角,表面各贴有一层云母薄片。云母片的非接触面上蒸镀银膜,其反射率在96% ~98%之间,厚度约60 nm。白光经光纤引导入射穿过接触区,在两层银膜间发生多光束干涉,从接触区透射出来的光线波长不再连续,透射光经显微镜物镜聚焦成平行光线后,由全反射三棱镜反射进入狭缝,再通过单色仪的分光器件得到离散的条状光谱,称为等色序条纹(Fringes ofEqualChromaticOrder,简称FECO)。干涉条纹经CCD系统采集后输入计算机,经过采集软件可测量出干涉光的波长、光强等一系列参数,为后续数据处理打下基础。

　　表面力仪的基本功能之一是通过上述多光束干涉原理来测量光滑表面间的微小间隙。由于干涉光的波长对试样的间隙非常敏感,通过测量等色序干涉条纹的波长和移动量可以计算接触表面的间隙,间隙测量理论分辨率最高可达0·1 nm。FECO方法的基本光学原理如图1所示。图中,λ为经单色仪分光后的FECO条纹波长,μ1、μ2和μ3分别为云母与间隙介质的折射率,其中μ1=μ2, T为两接触表面的距离。

　　1·2　间隙计算公式

　　Israelachvili推导出利用FECO条纹波长计算接触表面的间隙的公式:

　　其中μ=μ1/μ3,λTp为间隙为T时p级条纹的波长,符号的上标表示条纹间隙,下标表示条纹级次。最后一项前的+和-分别对应着奇数级次条纹和偶数级次条纹。奇数级次条纹的形状棱角较为分明,如图1中右边条纹;偶数级次条纹则较为圆滑。当中间层折射率μ3为已知时,测得3条条纹的波长λ0p、λ0p-1和λTp就能计算出表面间隙;而当μ3未知时,为同时求解两个未知量μ3和间隙T,需要增加已知条件λ0p-2、λTp-1来求解方程组得到间隙值。这种方法目前得到了广泛的应用。

　　前述方法的局限性在于,当μ3未知时,只有λTp,λTp-1,λ0p,λ0p-1,λ0p-2全部可测时才能计算表面间隙。