AFM探针样品作用力模拟及动力学分析.PDF

２０１６年 １０月 机 械 科 学 与 技 术 Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１６ 第３５卷 第 １０期 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．１０ ＤＯＩ：１０．１３４３３／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３⁃８７２８．２０１６．１００１ ＡＦＭ探针⁃样品作用力模拟及动力学分析 周德元，张琪昌，王炜 （天津大学，天津市非线性动力学与混沌控制重点实验室，天津　 ３０００７２） 摘要：针对原子力显微镜中探针⁃样品系统间力学特性的复杂性，本文建立了针尖⁃样品系统的分子 动力学模型，采用混合势模拟了它们间的相互作用力并获得了力⁃距离曲线表达式。 基于该表达 式，建立了系统动力学方程，分别采用多尺度法和数值仿真研究了不同样品材料对原子力显微镜针 尖⁃样品耦合系统动力学特性的影响。 结果表明，不同样品材料对针尖的受力情况影响较大，力⁃距 离曲线波动明显，分析中应区别对待；针尖样品系统中存在丰富的周期运动，且不同的样品材料对 原子力显微镜耦合系统的非线性动力学行为有较大的影响。 关键词：原子力显微镜；探针⁃样品作用力；分子动力学模拟；非线性动力学 中图分类号：Ｏ３２２　 　 　 文献标识码：Ａ　 　 　 文章编号：１００３⁃８７２８（２０１６）１０⁃１４７７⁃０７ Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ ｏｆ Ｔｉｐ⁃Ｓａｍｐｌｅ ｏｆ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ Ｉｔｓ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍ Ｚｈｏｕ Ｄｅｙｕａｎ，Ｚｈａｎｇ Ｑｉｃｈａｎｇ，Ｗａｎｇ ｗｅｉ （Ｔｉａｎｊｉｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈａｏｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ （ＡＦＭ） ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｉｐ⁃ｓａｍｐｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｙｎａｍｉｃｓｂｅｔｗｅｅｎｔｉｐ⁃ｓａｍｐｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄｔｈｅｈｙｂｒｉｄｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｗａｓ ｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｔｉｐ⁃ｓａｍｐｌｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｏｂｔａｉｎｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｆｏｒｃｅ⁃ｄｉｓｔａｎｃｅｃｕｒｖｅ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ， ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｐ⁃ｓａｍｐｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎ ＡＦＭ⁃ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｓｃａｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｉｔｈａｓａｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｔｉｐｏｆ ｌｏａｄ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ⁃ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃｕｒｖｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｅｓ ｇｒｅａｔｌｙ ａｎｄ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔｒｅａｔｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｙ． Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｖａｒｉｏｕｓ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｍｏｔｉｏｎｓ ｏｃｃｕｒ ｉｎｔｈｅｔｉｐ⁃ｓａｍｐｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅ ａｈｉｇｈ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ＡＦＭ⁃ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋ