探针—样品间剪切力作用机制的研究

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探针和样品间的距离控制是实现近场扫描的关键。NSOM中最常采用的是探针和样品之间的剪切力作用。我们认为,在物体的表面普遍存在着一层水和碳氢化合物,当探针和样品之间的距离达到纳米量级时,由于毛细凝聚力,这层水和碳氢化合物的薄膜耦合在了探针和样品之间,成为探针和样品间相互作用的第三方介质。 通过求解粘有光纤探针的音叉的动力学方程,我们得到了近场区流过音叉电流随探针——样品间距离变化的公式,随着探针间距离的减小针尖样品间距离很小时,由于分子间吸引力使局域水分子膜产生毛细凝聚现象,凝聚在探针——样品之间,参与针尖样品间的相互作用,其表面张力和粘滞流体切变力可以形成切向作用力,凝聚在针尖和样品间的水形成对振荡的探针强烈的摩擦力阻尼,从而使得流过音叉的电流减小。从公式中可以看出,I-d曲线的斜率还将受到样品的粘滞系数和探针尖端面积的影响。 我们在不同的实验条件下,如:大气条件下、低真空条件下、不同湿度条件下,对不同样品不同,测量流过音叉的电流I随探针和样品间距离d变化的曲线。实验结果表明在不同实验条件下,I-d曲线的斜率不同,低真空条件下的曲线要比大气条件下的曲线斜率大,在低湿度下的曲线要比高湿度下的曲线挟率大。以薄油膜和薄水膜为样品时I-d益线的斜率比大气条件下没有样品时的曲线斜率小。以薄油膜为样品时在低真空度和大气条件的I-d曲线与与无样品时的情况类似,低真空下的曲线要比大气下的陡。实验结果和理论分析相吻合。 另外,毛细凝聚力和表面张力对针尖的作用不单单起到剪切力阻尼力的作用。当探针随着音叉在平行于样品的平面内振动时,耦合在探针和样品之间的水和碳氢化合物薄膜将会被拉伸变形,这样就会产生一个作用在探针上的水平方向的恢复力Fx,方向与针尖位移的方向相反。这个恢复力使得探针——音叉系统的有效弹性系数增加,进而是使得系统的共振频率增加。探针——样品间分子间相互作用力也对弹性系数的增加有一定的作用。通过实验对此进行了观测,结果与理论相吻合。
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