Fundamental Investigation of Micro Wear Rate Using an Atomic Force Microscope

Micro-wear characteristics of Si and Si₃N₄ tips and the surfaces of Au, Cu, DLC, and bare Si were investigated using an Atomic Force Microscope (AFM). The range of applied load was between 10 to 800 nN. It was found that the wear coefficient values were between 10^-3 to 10^-1 and 10^-5 to 10^-4 for Si and Si₃N₄ tip, respectively. The experimentally obtained wear rates were comparable to those of the macro-scale systems. Also, evidence of micro-plastic deformation could be found on the wear track.     

原子力显微镜传感器的微机械加工技术的研究

分析了现有的AFM力传感器的工艺特点及问题。在此基础上研究用KOH溶液两步法P+自停止腐蚀制作厚度精确可控的单晶硅悬臂梁;以SiO2为掩模,SF6刻蚀硅,用RIE与各向同性湿法化学腐蚀相结合使悬臂梁探针一次成形和用湿法腐蚀锐化探针,针尖半径约50nm.制定了适于批量生产的AFM力传感器加工工艺。     

扫描隧道显微镜和原子力显微镜

介绍了扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的原理和目前情况。     

原子力显微镜力传感器的设计

着重介绍原子力显微镜力传感器的要求和力传感器设计的有关问题，并提供一种用图表设计结构尺寸的方法。     

原子力显微镜在纳米摩擦学研究中的应用

本文在概述纳米摩擦学概念,原子力显微镜原理及发展的基础上,介绍了原子力显微镜在纳米摩擦学研究包括纳米摩擦、纳米磨损及边界润滑研究等方面的应用。     

Effects of Atomic Force Microscope Silicon Tip Geometry on Large-Scale Nanomechanical Modification of the Polymer Surface

The shape of an atomic force microscope (AFM) silicon tip has a significant effect on the mechanical modification of the polymer surface, especially for a longer sliding distance of from several to several hundreds of millimeters. In this work, a pyramidal silicon tip was used to cut into the polymethyl methacrylate (PMMA) surface, forming nanogrooves with a linear sliding distance of about 80 mm and wear box structures with a total tip sliding distance of 1,024 mm. The effects of the tip edges and the tip radius on the form of the wear debris chips, wear depth, and debris transferred to the tip were investigated. The experimental results showed that four sides of the tip influenced the morphology of the removed material. Adhesion appeared to play a role in the tip wear mechanism by successive removal of SiO₂ layers during transfer of adhered PMMA from the tip to the surface. The tip radius generally increased with sliding distance. Simultaneously, adhesion of the removed materials to the tip induced a larger tip radius and a sharper tip was revealed as dropping off of the materials during the test from time to time. Thus, with the same normal load the worn tip may induce failure of the machining process. The results presented in this study provide insight into long-term nanoscratch/wear and nanomechanical machining of glassy polymer surfaces with a silicon AFM tip.     

用有限元法对原子力显微镜力传感器结构优化的研究

应用有限元法对原子力显微镜(AFM)力传感器进行了力学分析,并计算了它的固有频率和力弹性常数。在此基础上,对力传感器基于减小应力和应力集中的原则提出了一种优化结构,并得出了可以作为力传感器设计的依据和原则。     

原子力显微镜在分子自组装研究中的应用

原子力显微镜(AFM)以其分辨率高、样品无需特殊制备、实验可在大气环境中进行等优点被广泛应用于分子自组装这种自下而上的微细加工技术的研究中。近年来,随着对自组装行为研究的深入,其应用已由对自组装分子表面几何形貌的观测发展到制备纳米级结构和表征表面其它性能的研究领域。文中在简单介绍AFM及分子自组装优势的基础上,总结了AFM在自组装研究方面的若干新应用,并对其应用前景作出展望。     

原子力显微镜(AFM)力传感器及其固有频率的测试

由悬臂梁与探针集成件(Cantilever stylus)组成的力传感器是原子力显微镜的一个关键部件,固有频率(resonant frequency)是悬臂梁与探针集成件的一个重要技术指标,本文介绍了对力传感器的要求、力传感器的设计、检测力传感器的方法,着重介绍了一种采用光学象散原理组成的传感器的固有频率测试系统与方法。     

原子力显微镜的基本原理及其方法学研究

简述了原子力显微镜探测物体表面形貌的基本原理,具体地介绍了原子力显微镜的四大核心构件的属性与功能激光器、微悬臂、压电扫描器、光电检测器管;详细地阐述了该仪器探测运行的三种模式接触模式、非接触模式、轻敲模式,并重点讲述了轻敲模式的独到之处;强调了原子力显微镜所能进行的参数分析和数据处理功能,同时将原子力显微镜同其它表面探测仪进行了比较,突出了AFM的优越性;并结合仪器的构造和工作原理,对仪器的改进和发展提出了一些建设性意见.     

Investigation of Wear Particles Generated in Human Knee Joints Using Atomic Force Microscopy

Wear particle analysis can be potentially developed as an effective method for assessment of osteoarthritis (OA). To achieve this goal, the surface morphological and mechanical properties of human wear particles extracted from the osteoarthritic synovial joints with different OA grades need to be studied. Atomic force microscopy (AFM) has been used for cartilage analysis owing to its high resolution and the capability of revealing both mechanical properties and surface topographical data in three-dimensions. Few studies have been conducted on human wear particles due to difficulties in obtaining the samples and technical challenges in preparing wear debris samples for AFM investigations in a hydrated environment. This work aimed to develop a suitable preparation technique to study the mechanical properties and surface morphology of human wear particles using AFM. Wear particles were separated from synovial fluid samples which were collected from OA patients and deposited on an aldehyde functional plasma polymer surface to immobilise wear particles. They were imaged for the first time using AFM. The nanoscaled surface topographies and nanomechanical properties of the particles were obtained in a hydrated mode. The methodology established in this study enables investigations of the surface morphology and mechanical properties of wear particles at the nanoscale for better understanding of OA and the possibility of developing a new diagnostic method based on the wear debris analysis technique.     

单细胞结构与功能的原子力显微镜研究

首先强调了研究单细胞的生物学意义;介绍了原子力显微镜作为一种显微探测和操纵工具的主要特点及其在生命科学特别是在单细胞研究中的巨大优势.回顾了国内外有关AFM在单细胞表面形态与结构、活细胞的力学响应和生理过程的监控、细胞间粘附力的测量和肿瘤的科学诊断等研究中的应用情况;并结合自己在肿瘤细胞形态研究中的经验和体会对AFM在细胞研究中的深入研究进行了探讨.     

用象散法测试原子力显微镜力传感器的固有频率

原子力显微镜已成为人们观测和研究物体微观世界的强有力的工具.由悬臂梁与探针集成的力传感器是原子力显微镜的一个关键部件,而固有频率是其一个主要技术参数.本文介绍了一种采用光学象散原理测试原子力显微镜的力传感器固有频率测试系统的原理、组成和测试方法.     

原子力显微镜及其在生物医学领域应用

本文在简单介绍原子力显微镜(AFM)的基础上。从原子力显微镜对细胞、细胞器及其不同环境条件下细胞变化过程进行时时观察;对生物大分子及其生理生化过程的观察;对生物结构或生物大分子进行力的测量等几个方面的应用作了介绍     

原子力显微镜超微量注射检测的影响分析

微量注射与检测受到越来越广泛的关注和研究,例如细胞工程与基因工程中,采用显微注射其注射量对操作成功率影响巨大,注射量精确检测成为人们关注的课题。利用原子力显微镜具有纳米级高度分辨率的特点,设计悬臂装置对注射微滴重力产生的挠度进行检测,实现微滴量定量检测的目的。分析讨论影响微滴检测过程的扰动因素,其中采用悬挂机构有效抑制中高频扰动,观察注意到悬架式隔振系统水平方向的微小摆动对检测信号扰动不可忽视。研究中为抑制这种低频扰动对超微量注射检测的影响,设计液体阻尼器并采用增大水平阻尼与转动阻尼的方法使之得到有效地改善;进行皮升级注射量检测试验,结果表明所采用的基于原子力显微镜的超微量注射检测能够实现10～30 pL 微量注射检测。     

基于光点偏转方法的原子力显微镜的研制

讨论了光点偏转方法检测微小位移的原理，建立了相应的光电检测系统，用于检测微悬臂（针尖）的微位移，并在此基础上研制了纳米级分辨率的原子力显微镜。仪器最大扫描范围可达2×2μm2。文中给出了部分样品的测试结果。     

基于原子力显微镜的线宽粗糙度测量

给出采用原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)测量线宽粗糙度(Line width roughness,LWR)的分析步骤。分析线宽和LWR及其偏差随刻线横截面位置的高度变化的关系,线宽及其偏差和LWR及其偏差随刻线横截面位置的高度值增加而减小。分别采用四种边缘提取算子提取了碳纳米管针尖AFM测量的刻线顶部线宽边缘,计算了刻线顶部线宽和LWR,顶部线宽和LWR测量结果对边缘提取算子不敏感。结合被测单晶硅台阶的顶表面和底表面加工方法,提出采用各扫描线轮廓高度相等的方法校正AFM压电驱动器的z向非线性。比较了采用普通氮化硅探针针尖、超尖针尖以及碳纳米管针尖AFM测量名义线宽为1 000 nm刻线LWR的结果,显示采用三种针尖的LWR测量结果存在差异,但考虑到AFM分辨率,可认为测量结果基本相同。因此,为更精确描述刻线边缘,必须提高AFM分辨率。     

基于原子力显微镜的碳纳米管微操纵研究

纳米级微操作技术是制造纳米电子器件的技术基础.以云母为基底,利用原子力显微镜,对碳纳米管束进行微操作,如滑动、切割等.由于基底不同,在微操作过程中呈现不同的现象.研究为加工碳纳米管的微纳米零件做出了有益的探索.     

原子力显微镜在生物分子力学性质方面的研究

原子力显微镜在生物纳米研究领域有广泛应用,包括对生物样品的形貌成像、超微结构、机械性能和相互作用等方面的研究。利用其非修饰和修饰探针进行样品扫描,可以得到样品表面形貌和样品表面某一特定点的力与距离的关系曲线,从而得到相关生物分子的力学性质。目前国际上应用原子力显微镜对生物分子力学特性方面的研究已经成为最热门的研究课题之一,在生物医学和临床医学方面有重要研究意义。本文简述了原子力显微镜的力曲线原理,并对近年来应用原子力显微镜在探测生物分子力学性质方面的研究进展进行了综述。     

利用原子力显微镜探测化学基团间的单键力

原子力显微镜(AFM)不仅可用于形貌测量,而且还可在纳米尺度上测量微观组分间的相互作用力。本文简要介绍了AFM的一种令人非常感兴趣的用途——测量和推算单个化学基团对之间的作用力(单键力)。单键力的测量和推算涉及AFM针尖的自组装单分子膜的化学修饰和Poisson统计方法的利用,文中概述了测量和推算的步骤和原理。AFM应用范围的拓宽必将促进它的进一步改进和发展。