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考虑毛细力作用时原子力显微镜智能压电悬臂梁几何参数对不同粗糙表面形貌质量的影响

DOI：10.1002/jemt.23195 期刊：Microscopy Research and Technique 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要： 如今，原子力显微镜（AFM）作为强大的纳米机器人被广泛应用于纳米技术领域。纳米级表面形貌测量是目前AFM设备最重要的应用之一。本文基于铁木辛柯梁理论，研究了湿润环境中振动的压电矩形截面微悬臂梁（MC）的振动运动。根据哈密顿原理提取MC控制方程后，采用有限元方法对运动方程进行离散化处理。通过考虑范德华力、毛细力和接触力的影响，在轻敲和非接触模式下模拟了不同粗糙度形式的表面形貌。同时，对玻璃表面形貌的实验结果进行了模拟。结果表明：与轻敲模式相比，非接触模式下较高固有频率的时间延迟更短，尤其是较低固有频率时更为明显。研究模拟了固有频率、形貌深度和时间延迟的敏感性分析，结果显示最关键参数是微悬臂梁长度。在第一阶模态中，首段长度对表面形貌时间延迟的影响最为显著；而根据模拟结果，在第二振动模态中，微悬臂梁尖端长度是对时间延迟影响最大的参数。
作者： Alireza Habibnejad Korayem，Mitra Taghizadeh，Moharam Habibnejad Korayem
AI智能分析
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

通过考虑毛细力，研究原子力显微镜智能压电悬臂梁几何参数对不同粗糙表面形貌质量的影响。

研究成果

与欧拉-伯努利理论相比，铁木辛柯梁理论能更精确地模拟原子力显微镜压电微悬臂梁的振动，降低频率和振幅预测的误差。较高阶振动模态可提升表面形貌的测量精度，并缩短轻敲模式下的时间延迟。灵敏度分析表明，长度参数（尤其是首段长度和针尖长度）对固有频率和形貌质量影响最为显著，而宽度参数影响甚微。该方法通过深化几何参数影响的认知，提高了原子力显微镜形貌图像的质量。

研究不足

该研究假设了一个具有特定力常数的湿润环境；温度变化和液体环境的影响尚未充分探究。该模型基于铁木辛柯梁理论，对于极高频率模式或复杂材料行为可能存在局限性。实验验证仅限于玻璃表面，对其他材料或条件的适用性可能需要进一步研究。

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