利用原子力显微镜对近壁面受限液体性质的研究

论文摘要

近壁面受限液体具有与体相液体不同的性质，在壁面诱导作用下，近壁面受限液体表现出类似于固体的性质。研究近壁面受限液体的性质对于推动微流动系统技术的发展和了解微纳米尺度下流体的流动与润滑特性具有重要的意义。原子力显微镜是一种研究表界面性质的重要工具。本文利用原子力显微镜，通过测量液体环境下的力曲线，对近壁面受限液体的性质进行了研究。实验中对原子力显微镜针尖进行了修饰，通过改变针尖的趋近速度研究了不同速度下受限液体的类固化行为。对去离子水的研究发现去离子水分子在硅片表面能够形成有序化的层状结构。当针尖趋近速度较高时，去离子水表现出类似于固体的性质，即具有一定的弹性模量。利用修饰针尖的实验发现去离子水的弹性模量随着针尖趋近速度的增大而升高。对近壁面去离子水的有效粘度计算发现，在距壁面4nm以内的范围内，水的有效粘度为体相粘度的34个数量级。同时还测量了不同PH值氯化钠盐溶液中的力曲线。对正十六烷的研究发现，正十六烷液体分子在硅片表面也具有分子有序化排列的层状结构。利用修饰针尖，控制不同的趋近速度对正十六烷液体分子进行压缩，正十六烷液体分子层的弹性模量会随着趋近速度的增大而变大。本文利用球-簧模型对近壁面受限液体的类固化做出了解释。在原有楔形法的基础上，推导出一种对原子力显微镜摩擦力标定的改进楔形法，在聚焦离子束刻蚀出的样品上对探针的横向灵敏度进行了标定，实验证明改进楔形法是一种有效地对原子力显微镜摩擦力进行标定的方法。利用改进楔形法标定出的针尖对去离子水、正十六烷和不同PH值氯化钠溶液中的摩擦力进行了测量。摩擦力实验的结果显示去离子水、正十六烷与氯化钠溶液相比，具有不同的承载方式。去离子水和正十六烷更容易从受限间隙之间挤出。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 微机电系统（MEMS）的发展
• 1.1.2 边界润滑
• 1.2 受限液体研究现状
• 1.2.1 相关仪器的介绍
• 1.2.2 主要的研究进展
• 1.3 研究目的
• 1.4 论文内容的安排
• 第2章 实验设备及方法
• 2.1 本章引论
• 2.2 原子力显微镜的工作原理
• 2.3 实验步骤
• 2.3.1 样品的清洗
• 2.3.2 原子力显微镜法向力的标定
• 2.3.3 对探针进行修饰的方法
• 2.3.4 液下力曲线的操作过程
• 2.4 本章小结
• 第3章 近壁面去离子水的性质研究
• 3.1 本章引论
• 3.2 普通针尖的实验结果及分析
• 3.3 修饰针尖的实验结果及分析
• 3.4 不同 PH 值氯化钠水溶液中的力曲线结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 近壁面正十六烷受限液体的性质研究
• 4.1 本章引论
• 4.2 普通针尖的实验结果与分析
• 4.3 修饰针尖的实验结果与分析
• 4.4 球-簧模型的建立
• 4.5 本章小结
• 第5章 原子力显微镜摩擦力的标定
• 5.1 本章引论
• 5.2 研究微纳米尺度下摩擦磨损的意义
• 5.3 原子力显微镜测量摩擦力的原理
• 5.4 现有的标定方法
• 5.5 改进楔形法的推导
• 5.6 实验结果分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 原子力显微镜对不同液体润滑性能的测试
• 6.1 本章引论
• 6.2 修饰针尖的标定
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 摩擦力的计算方法
• 6.3.2 不同载荷下的摩擦力实验结果
• 6.3.3 实验结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 本人简历以及硕士期间发表的学术论文与成果