重庆核工业纳米力学测试实验室

SFM纳米力学测试。在扫描隧道显微镜(STM)发明以后,基于STM,人们又陆续发展一系列相似的扫描成像显微技术,它们包括原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(FFM)、磁力显微镜、静电力显微等,统称为扫描力显微镜(SFM)。由于这些扫描力显微镜成像的工作原理是基于探针与被测样品之间的原子力、摩擦力、磁力或静电力,因此,它们自然地成为测量探针与被测样品之间微观原子力、摩擦力、磁力或静电力的有力工具。采用原子力显微镜对饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与转铁蛋白抗体之间的相互作用进行研究通过原子力显微镜对分子间力的曲线进行探测,比较饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与抗体之间的作用力的差异。通过纳米力学测试，我们可以评估纳米材料在极端环境下的稳定性和耐久性。重庆核工业纳米力学测试实验室

目前纳米压痕在科研界和工业界都得到了普遍的应用，但是它仍然存在一些难以克服的缺点，比如纳米压痕实际上是对材料有损的测试，尤其是对于薄膜来说；其压针的曲率半径一般在50 nm 以上，由于分辨率的限制，不能对更小尺度的纳米结构进行测试；纳米压痕的扫描功能不强，扫描速度相对较慢，无法捕捉材料在外场作用下动态性能的变化。基于AFM 的纳米力学测试方法是另一类被普遍应用的测试方法。1986 年，Binnig 等发明了头一台原子力显微镜(AFM)。AFM 克服了之前扫描隧道显微镜(STM) 只能对导电样品或半导体样品进行成像的限制，可以实现对绝缘体材料表面原子尺度的成像，具有更普遍的应用范围。AFM 利用探针作为传感器对样品表面进行测试，不只可以获得样品表面的形貌信息，还可以实现对材料微区物理、化学、力学等性质的定量化测试。目前，AFM 普遍应用于物理学、化学、材料学、生物医学、微电子等众多领域。重庆核工业纳米力学测试实验室纳米力学测试对于材料科学研究至关重要，能够精确测量纳米尺度下的力学性质。

对纳米元器件的电测量——电压、电阻和电流——都带来了一些特有的困难，而且本身容易产生误差。研发涉及量子水平上的材料与元器件，这也给人们的电学测量工作带来了种种限制。在任何测量中，灵敏度的理论极限是由电路中的电阻所产生的噪声来决定的。电压噪声[1]与电阻的方根、带宽和一定温度成正比。高的源电阻限制了电压测量的理论灵敏度[2]。虽然完全可能在源电阻抗为1W的情况下对1mV的信号进行测量，但在一个太欧姆的信号源上测量同样的1mV的信号是现实的。

AFAM 方法较早是由德国佛罗恩霍夫无损检测研究所Rabe 等在1994 年提出的。1996 年Rabe 等详细分析了探针自由状态以及针尖与样品表面接触情况下微悬臂的动力学特性，建立了针尖与样品接触时共振频率与接触刚度之间的定量化关系。之后，他们还给出了考虑针尖与样品侧向接触、针尖高度及微悬臂倾角影响的微悬臂振动特征方程。他们在这方面的主要工作奠定了AFAM 定量化测试的理论基础。Reinstaedtler 等利用光学干涉法对探针悬臂梁的振动模态进行了测量。Turner 等采用解析方法和数值方法对比了针尖样品之间分别存在线性和非线性相互作用时，点质量模型和Euler-Bernoulli 梁模型描述悬臂梁动态特性的异同。纳米力学测试的结果可以为新材料的设计和应用提供重要参考。

纳米压痕技术通过测量压针的压入深度，根据特定形状压针压入深度与接触面积的关系推算出压针与被测样品之间的接触面积。因此，纳米压痕也被称为深度识别压痕(depth-sensing indentation，DSI) 技术。纳米压痕技术的应用范围非常普遍，可以用于金属、陶瓷、聚合物、生物材料、薄膜等绝大多数样品的测试。纳米压痕相关仪器的操作和使用也非常方便，加载过程既可以通过载荷控制，也可以通过位移控制，并且只需测量压针压入样品过程中的载荷位移曲线，结合恰当的力学模型就可以获得样品的力学信息。纳米力学测试的发展促进了纳米材料及其应用领域的快速发展和创新。重庆核工业纳米力学测试实验室

纳米力学测试可以用于研究纳米材料的界面行为和相互作用，为纳米材料的应用提供理论基础。重庆核工业纳米力学测试实验室

在黏弹性力学性能测试方面，Yuya 等发展了AFAM 黏弹性力学性能测试的理论基础。随后，Killgore 等将单点测试拓展到成像测试，对二元聚合物的黏弹性力学性能进行了定量化成像，获得了存储模量和损耗模量的分布图。Hurley 等发展了一种不需要进行中间的校准测试过程而直接测量损耗因子的方法。Tung 等采用二维流体动力学函数，考虑探针接近样品表面时的阻尼和附加质量效应以及与频率相关的流体动力载荷，对黏弹性阻尼损耗测试进行了修正。周锡龙等研究了探针不同阶模态对黏弹性测量灵敏度的影响，提出了一种利用软悬臂梁的高阶模态进行黏弹性力学性能测试的方法。重庆核工业纳米力学测试实验室