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本论文以原子力显微镜(AFM)为主要工具，利用纳米操纵技术，对自然吸附在硅基底上的二氧化硅胶体球与基底之间的摩擦学特性进行了定量化研究。通过测量碳巴基葱材料的力曲线精细结构，研究了在AFM针尖纵向压力下碳巴基葱的力学响应。
论文讨论了一种基于AFM接触模式的矢量纳米操纵方法，通过精确控制AFM针尖与基底之间的作用力，提高了操纵的可控性和精确度，更为重要的是，这种操纵技术在操纵的同时可以实现横向力的测量，为定量化研究纳米材料在操纵过程中的运动状态以及与基底间的摩擦学特性奠定了基础。
AFM力学测量系统的精确标定，是AFM定量化研究的前提。论文分别对AFM纵向力标定方法和横向力标定方法进行了分析，并详细讨论了本研究所采用的Q因子标定法，新的标定方法大大提高了标定精度，并具有简单快捷的特点。对另一种标定方法-热噪声标定法也进行了深入地讨论。
利用AFM纳米操纵方法对吸附在硅基底表面的单分散二氧化硅胶体球进行了操纵，并实时测量了胶体球与基底之间的摩擦力。发现对于同一个二氧化硅胶体球，初次操纵时测得的摩擦力与后续操纵测得的摩擦力有较大不同，前者约是后者的三倍。分析表明，基底表面吸附水分子膜的存在，是产生上述摩擦力差别的重要原因。在此基础上，我们对胶体球与基底间的摩擦力(包括界面摩擦力及毛细力引起的摩擦力)进行了理论计算和分析，计算结果表明，初始与基底紧密接触的胶体球一旦被移动后，由于吸附水膜的存在，其与基底间的距离增大了约3nm，导致了摩擦力的减小，与移动前相比，移动后毛细作用产生的摩擦力占主导，而界面摩擦力可以忽略不计。
利用AFM力曲线方法，研究了碳巴基葱在AFM针尖纵向压力下的力学响应。定量测量了巴基葱材料的力曲线，发现了巴基葱力曲线中存在周期性台阶结构，这些周期性台阶反映了巴基葱多层碳笼结构在AFM针尖压力作用下的特殊力学响应，定量化分析揭示了碳巴基葱中碳原子层的受力、碳碳键断裂以及碳原子层的缺失等重要信息。这些结果对于深入了解碳巴基葱材料的力学性能及其与针尖间的相互作用机理，有着重要的意义。