AFM针尖磨损机理研究进展

　　自从原子力显微镜 (Atomic Force Microscope，AFM)发明以来，它以其纳米量级的精度广被应用在形貌检测、纳米尺度摩擦磨损研究、纳米尺度结构加工以及微小构件及材料的纳米尺度机械性能的检测方面。上述研究中，AFM针尖的端部形貌对测量结果有很大影响，如 Bustamante 等人在对圆形 DNA分子进行成像时，针尖间端半径 R 使测量结果具有一定的展宽效应[1]。Bhushan 等人在采用 AFM金刚石针尖研究 DLC(diamond- like carbon)膜的微纳米摩擦特性时发现：金刚石针尖在与其硬度相近的DLC 膜表面进行磨损试验时，针尖的磨损量对 DLC膜的刻划深度有很大的影响。随着刻划次数增加，刻划深度变浅。他们在研究中采用了修正系数的方法对实验结果进行修正[2]。Lin 等人采用矩形单晶硅悬臂在金属表面采用纳米压痕方法加工纳米点、线结构时，结果表明在 3.8μN 的垂直载荷下，最多可以获得 500 个纳米点，超过这个点数或者在较大的垂直载荷下加工，针尖的磨损量加大，点的尺寸将不均匀[3]。当采用 AFM纳米压痕技术测量微/纳米结构的纳米机械特性时，采用的理论是基于 Hertz 弹性理论及 Oliver- Pharr 算法等方法，在这些方法中，探针间端的形状及半径是计算硬度、弹性模量等值的必要参数[4]。综上所述，在上述研究领域中对 AFM针尖的尖端形状要求很高，对研究结果影响很大。因此 AFM探针在使用过程中对使用寿命的要求使我们需要对探针的磨损机理、磨损过程以及相关参数的影响进行深入地研究。本文对目前国内外一些对 AFM针尖磨损机理的相关研究进行综述，并对其发展趋势进行分析。

　　1 AFM 针尖磨损机理研究现状

　　AFM在测量或者加工过程中的应用主要由两种模式：接触模式和敲击模式。这两种模式应用的针尖主要包括："!Si3N4针尖(接触模式);"#金刚石针尖(接触模式)"$单晶硅针尖(敲击模式)。因此国内外学者的研究主要关注这三类探针。下面分别对他们的研究成果进行综述。

　　Haitjema[5]等人研究了 Si3N4AFM针尖在接触模式下扫描微米尺度样品的变形及磨损特性。通过对比磨损前后针尖的形态，发现探针尖端被磨平，探针一侧的材料被去除并且形貌不规则。同时针尖上有材料的粘接现象，如图 1 所示。图 1(a)表示磨损前后针尖处形貌轮廓图，图 1(b)和(c)分别表示磨损后和磨损前的针尖的 SEM形貌图。分析其原因如下："!针尖上材料的粘结属于粘结磨损。在针尖往返划过样品的特征多次时，针尖和样品较软的一方会产生塑性变形，进一步导致材料脱离粘结到另外一方，从而形成了这种磨损形式。实验中 Si3N4针尖的硬度大于单晶硅样品的硬度。因此，针尖表面上附着有样品的材料。"#通过计算发现，针尖顶部由于其接触压力与材料的临界应力在同一量级。因此将产生塑性变形导致其尖端变平以及针尖一侧材料被去除。而被去除的位置处表面形貌凸凹不平，作者将其归因于疲劳磨损方式去除导致。因为许多前人的研究表明 Si3N4(一种陶瓷材料)具有疲劳磨损的特点[6]。Khurshudov 等人同样通过实验发现 Si3N4探针的磨损机理为疲劳磨损。并且得出在 10nN 垂直载荷作用下，样品的 AFM图像质量没有受到针磨损的影响。其原因在于疲劳磨损导致探针尖端表面粗糙而形成的多个尖点，具有了一定的针尖效应[7]。而宏观范围内采用针尖和一个圆盘对磨研究Si3N4陶瓷的磨损特性是磨粒磨损的特征[8]。可见AFM Si3N4针尖在纳米尺度的磨损与宏观的磨损机理是完全不一样的。