基于原子力显微镜纳米尺度摩擦力的速度依赖关系

　　随着工业技术的持续发展，器件的微小化和智能化成为必然趋势. 在这些微小器件( 如微/纳机电系统) 中，远大于体积力的表面力对器件的稳定性和可靠性起决定性作用. 由于独特的电学和力学特性，硅在 MEMS/NEMS 中有着广泛的应用，但是硅表面经常出现的高摩擦和易磨损现象使硅基器件极易失效[1]. 研究硅基材料间的摩擦机理，进而降低界面摩擦，减小界面磨损，对于保证硅基器件的正常运作和减小能耗有重要意义. 然而，在微米甚至纳米尺度下，界面难以表征和实时监测，同时界面的物理、化学性质又极为复杂，因此探究界面间的摩擦作用和动力学已成为科学界和工程界面临的重要问题. 作为微纳米尺度下器件运行的核心参数之一，扫描速度显著影响着界面摩擦，但此影响机理仍缺少明确结论[2-3].

　　Tambe 等[4]在研究 Si 3 N 4 探针-Si( 100) 基底系统的过程中发现，探针低速滑动时摩擦力随速度增加而指数下降，高速滑动时则随速度增加而非线性增加，并利用新月形界面力( meniscus force) 来解释此现象. Gnecco 等[5]将探针以小于 1 μm /s 的速度在 NaCl( 100) 面上滑动，发现摩擦力随扫描速度的增加而指数增加; Bennewitz 等[6]在 Cu( 111) 面上进行试验，验证了此结论. Bouhacina 等[7]在硅表面涂上聚合体，发现当扫描速度小于 10 μm /s 时摩擦力随扫描速度的增加而指数增加，并利用热激发的 Eyring 模型解释该现象. Liu 等[8]观察到在类金刚石碳和自组装膜上，摩擦力随扫描速度的增加而指数增加，而在氮化物表面，摩擦力随扫描速度的增加而对数减少. Zwrner 等[9]用硅探针在不同的碳结构( 金刚石、石墨、无定形碳) 基底上滑动，当扫描速度为 0. 01 ～ 10 μm /s 时，摩擦力为常数; 当扫描速度大于100 μm /s 时，摩擦力随扫描速度的增加而线性增加. Tocha 等[10]也发现扫描速度在 2. 5 ～1 000 μm /s 范围内时，摩擦力随扫描速度的增加而线性增加. 综上所述，对于不同材料的探针-基底系统而言，扫描速度对摩擦力有显著影响; 但对于微纳技术中常遇到的硅-硅系统的相关研究还未见报道.

　　本文研究了在大气常温下对硅探针-硅基底系统施加不同载荷时扫描速度与摩擦力的相关性. 首先，利用热噪声标定法测量出硅悬臂梁的法向弹簧常数和法向灵敏度; 然后，利用改进的楔形校准法，通过扫描三角光栅得出侧向灵敏度; 最后，测量出扫描区域为15 μm ×15 μm、正压力为 -5 ～10 nN、扫描速度为 2. 5 ～1 000 μm /s 时的摩擦力.

　　1 探针的法向和侧向校正

　　1. 1 法向校正

　　探针的法向弹簧常数采用热噪声标定法[11]获得. 首先，在接触模式下下针，探针作用在硬样本表面上，得到力-距离曲线，利用该曲线便可确定悬臂梁光学杠杆的灵敏度. 然后，在探针远离壁面时，空气分子进行随机的热运动，撞击到悬臂时会引起悬臂微小的自由谐振运动，通过观测悬臂的运动响应确定悬臂梁的共振频率. 最后，利用能量均分定理获得法向弹簧常数. 实验中，探针的弹簧常数为1. 56 nN / nm，探针的法向灵敏度 β 为293. 8 nN / V.