基于AFM探针的电晕放电研究

　　0 引 言

　　原子力显微镜( AFM) 是一种用于研究物质表面物理特性和进行纳米加工的有效工具[1]。但是，AFM 虽然能清楚地观察到材料表面的微观物理形貌和结构，却不易获知其化学组成成分和分布。因此，实现对材料微纳结构物化特性的原位准同步分析是关系到能否提供微纳尺度下互相“套准”的物理信息和化学信息的关键性科技问题，这就要求材料微纳结构的化学信息必须要与其所在的物理位置精确地一一对应，即在观察物理图像的同时，要能够在原位准同步地分析化学信息。目前主要的研究方法是采用扫描探针显微镜( SPM) 与质谱( MS) 联用，即利用 SPM 的探针在材料表面取样，然后送入 MS 中分析其成分[2～4]。

       采样器件是连接 SPM 和 MS 的纽带，也是实现原位准同步检测的关键，国外利用 SPM 探针直接与被测样品表面某个“兴趣点”接触，使微量的样品分子或原子粘附到探针尖端上。但这容易损坏探针和样品，也可能会使探针受到样品的污染。因此，可以考虑利用 AFM 探针产生电晕放电进行解吸附电离作用，实现原位定点非接触式采样，以避免样品和探针受损，并减轻样品对探针的污染。

　　电晕放电是当电极表面的电场强度超过碰撞游离阈值时发生的气体局部自持放电现象[5]。“雪崩”放电获得的高密度初级离子与被测样品表面碰撞，使后者表面吸附的痕量物质解吸附化学电离。电晕放电过程较为复杂，尽管人们对气体放电的研究已有一百多年的历史，但目前人们对利用 AFM 进行电晕放电甚至针板式直流电晕放电的微观特性的研究都比较少。

　　本文利用有限元软件对 AFM 导电探针的力学性能和电学特性进行仿真，观察电晕放电现象及其规律，这些将对利用 AFM 探针产生电晕放电进行非接触式解吸附采样具有指导作用。

　　1 AFM 导电探针的 ANSYS 仿真

　　1. 1 AFM 探针的力学仿真

　　AFM 对探针力学性质方面的要求主要有低的力弹性常数 k 和高的固有频率 f[6]。对于等矩形截面微悬臂梁

　　式中 E 为杨氏模量; w 为宽度; t 为厚度; l 为长度; ρ 为密度。代入相关数值便可求得 k 和 f 的理论计算值。

　　利用 ANSYS 有限元软件对 AFM 探针进行模态分析和静力学仿真: 首先定义参数，采用 SOLID186 单元类型，定义硅材料模型参数; 输入 AFM 探针实体模型，主要由微悬臂　　梁和探针针尖组成; 划分网格; 定义分析类型，加载边界条件和载荷，进行静力学分析时设加载的集中力载荷为 1nN;进行求解; 查看后处理。对于一种 AFM 探针模型，其微悬臂梁长 125 μm，宽 30 μm，厚 4 μm，针尖小圆锥底部半径为5 μm，高 15 μm，其 ANSYS 静力学仿真的结果如图 1 ( 位移场等值线图) 所示。