【摘 要】
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纳米科学技术作为一门具有较强交叉性的综合学科,引领多个领域前沿科技的发展,目前已被多个国家视为科学技术竞争的制高点。作为纳米科学技术的重要组成部分之一,纳米操纵技术是实现纳米材料的移动、拼接及可控变形等的关键方法,对纳米器件的制造具有不可或缺的作用。原子力显微镜(AFM)是一种可用于纳米操纵的设备。目前,由于对纳米线和基底间粘着力以及操纵过程中AFM针尖与纳米线相互作用的研究较为匮乏,探针对较软的
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纳米科学技术作为一门具有较强交叉性的综合学科,引领多个领域前沿科技的发展,目前已被多个国家视为科学技术竞争的制高点。作为纳米科学技术的重要组成部分之一,纳米操纵技术是实现纳米材料的移动、拼接及可控变形等的关键方法,对纳米器件的制造具有不可或缺的作用。原子力显微镜(AFM)是一种可用于纳米操纵的设备。目前,由于对纳米线和基底间粘着力以及操纵过程中AFM针尖与纳米线相互作用的研究较为匮乏,探针对较软的纳米线进行操纵时精度较低;并且,多数基于AFM的纳米线操纵技术需要在接触模式下进行,操纵过程中针尖对基底较易产生磨损,而在轻敲模式下进行操纵可减小该类型磨损。对针尖-样品相互作用的研究将有助于提升基于AFM的纳米线操纵技术的精度,并为基于AFM轻敲模式的纳米操纵技术的研发奠定基础。此外,在AFM轻敲模式中针尖-样品相互作用对探针的振动行为产生重要影响,造成设备精度下降,甚至成像失真;研究针尖-样品相互作用为提高AFM轻敲模式下的测量及成像精度提供理论基础。当前,研究人员主要通过AFM探针的受力、振幅及相位来研究针尖-样品相互作用,但对于受力、振幅和相位间的关系和对应性的讨论较为匮乏,难以系统性地从吸引力、能量耗散和滞后等多个角度来探究这种相互作用。本文借助AFM同时测量探针以不同速度或电压远离不同表面时其受力、振幅和相位随位移的变化,以从多方面研究针尖-样品相互作用的机制。在此基础上,探究了AFM探针撤回速度和电压对针尖与银纳米线表面相互作用的影响;最后,通过优选探针电压和振幅参数,在AFM轻敲模式下实现了银纳米线的可控弯曲。本文的主要研究内容如下:(1)研究了探针撤回速度与电压对针尖-样品相互作用的影响本文利用AFM同时收集了探针以不同速度或不同电压匀速远离单晶硅表面时其受力、振幅和相位随探针Z向位移的变化,以分析悬臂的振动状态并进一步从多方面反映实验过程中的针尖-样品相互作用;分析后得出的结果表明探针撤回速度或电压的增大会导致针尖-样品相互作用的增强。(2)分析了材料硬度和表面润湿性对针尖-样品相互作用的影响以具有不同润湿性的单晶硅和聚氯乙烯样品为研究对象。利用AFM同时测定了探针以不同速度匀速远离这些研究对象的表面时,悬臂的受力、振幅和相位随探针Z向位移的变化,并进一步分析探针运动过程中的针尖-样品相互作用。实验结果表明:材料硬度降低造成探针振动过程中能量耗散增加,材料表面润湿性增强可导致针尖-样品相互作用增强。(3)考察了撤回速度和电压对针尖与银纳米线表面相互作用的影响文中利用AFM同时测量了探针以不同速度或电压匀速远离银纳米线表面时探针的受力、振幅和相位随其位移的变化,以考察不同实验条件下此相互作用的差异。分析表明:探针撤回速度或电压增加可导致针尖与银纳米线表面相互作用增强。(4)开展了AFM轻敲模式下的银纳米线可控二维操纵尝试基于上述研究得出,AFM针尖与疏水硅表面的相互作用较弱,利于纳米线操纵。本部分选用表面制备有自组装分子膜(PFDS)的单晶硅样品作为纳米线二维操纵的基底。根据优选的探针电压和振幅参数,文中在AFM的轻敲模式下对基底上的银纳米线进行了可控弯曲。AFM的轻敲模式被广泛应用于微/纳尺度下的力学测量、形貌表征和纳米操纵等,而针尖-样品相互作用在这类应用中对探针的机械行为产生重要影响。本文研究了探针撤回速度、电压以及材料硬度和表面润湿性对针尖-样品相互作用的影响,并阐释了其机制。通过考察探针在不同撤回速度或电压下针尖与银纳米线表面的相互作用,确定了合理的探针电压与振幅参数,并对疏水硅表面上的银纳米线进行可控二维操纵。本文进一步丰富了大气环境下针尖-样品相互作用方面的研究,同时对实现轻敲模式下的纳米线可控操纵具有指导作用。
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