激光检测摩擦力显微镜的定量标定

　　纳米摩擦学已经成为摩擦学最活跃的研究领域之一。G.Bmng等人于1986年基十STM的设计思想研制成功第一台原子力显微镜(AtomicFrictionMic~ope，以下简称Al，M)，它通过检测AFM探针与样品表面原子间的相互作用力变化得到样品表面形貌，其横向分辨率约为0.2nln，纵向分辨率小于0.Inln。AFM的一个重要的优点在于，它不仅能测量表面形貌，而且可以研究各种有关力的现象，如磁力、静电吸引力、化学相互作用力，以及各种摩擦、磨损、表面硬度和薄膜边界润滑等。Mate等人[2]于1987年首次通过改进Al，M，同时测得正压力和摩擦力信号，该仪器通常称为摩擦力显微镜(FrictionFo比eMicn关犯ope，以下简称FPM)或横向力显微镜(加te司Fo联Micnx弧乃pe，以下简称JM)，它通过检测扫描探针的纵向变形来测得正压力信号，通过检测扫描探针的横向扭转来获取摩擦力信号。虽然AFM月下M已经商品化，但就摩擦力测量而言，仪器标定的问题始终没有完全解决。

　　1995年清华大学与中科院化学所合作，成功地研制出国内首台激光检测摩擦力显微镜。现有的摩擦力显微镜提供的试样表面横向力图，只能微观定性的对试样表面的力学性质进行评定，不能定量地给出微观摩擦系数。然而，随着纳米摩擦学的发展，人们越来越不能满足于微观表面的定性研究，而需要进一步获取微观表面真实的三维形貌图和微观摩擦系数，为纳米摩擦学设计提供依据。因此，有必要对现有的摩擦力显微镜进行摩擦力标定。本文报道了这方面的工作。

　　1摩擦力显微镜(F日M)的基本原理:

　　所研制的FFM基本原理见图l[4〕，被测样品(4)安放在压电陶瓷管(5)上，压电陶瓷管用于X、Y方向的扫描和Z方向的反馈控制。半导体激光器发出的激光束经准直并汇聚(l)人射微悬臂(2)镜面的尖端，经反射后的光束反射到四象限光敏检测器(光电二极管(6))中央。当计算机控制样品相对于微探针(3)作横向运动时，由于探针和样品之间的摩擦力、粘着力和表面形貌起伏诸因素所产生的横向力和法向力，使得微悬臂产生起伏、扭曲等现象，从而引起反射光斑在光敏检测器上产生较大的波动。用垂直方向起伏产生的电信号反馈控制压电陶瓷管的伸缩，从而根据压电陶瓷管的运动规律得到样品的形貌，同时将水平方向扭曲产生的信号经ADC转换送计算机处理得到横向力的图象。

　　2.横向力的测定:

　　歼M直接测得的是横向力，因此首先要标定横向力，然后从中提取摩擦力。如图1所示，微悬臂横向力的大小可以通过下式计算得出:

　　其中，K‘为微悬臂的扭转刚度，e，为微悬臂的横向扭角，h，为针尖的高度，约为2.856N.m。微悬臂的扭转刚度可以通过理论计算获得，而微悬臂的横向扭角e，则需要在实验仪器上测得。