声摩擦力扫描显微镜的非线性振动机理及应用基础研究

There are specific friction effects between the tip and the crystal surface for the microscale periodic structure in the crystal surface. The specific friction can excite the complex nonlinear response of the cantilever, which includes the information of tribology and mechanics in the crystal surface on the nanometer scale. By investigating the effects of the nonlinear friction on the nonlinear vibrations of cantilever, the physical mechanisms of the friction can be revealed. On the other hand, the coupling vibrations reflect the mechanic behaviors in the micro-contact interface, which can be used to characterize and image the mechanic parameters in the surface by using the resonance frequency, amplitude or phase of the cantilever vibrations. Furthermore, the coupling vibrations can be precisely controlled by the ultrasound excitations and it is useful to regulate the friction, which is applicable to develop the nanoscale electro-mechanical system. Base on our above corresponding researches, this project is proposed which will investigate mechanisms of the coupling vibrations between the tip-crystal and the high order responses of the cantilever in the acoustic friction scanning microscope. Meanwhile, we will characterize the mechanic parameters in the crystal surface, then explore the regulating law of the friction and seek the conditions for realizing the super lubrication on the nanometer scale by using two dimensional ultrasound excitations of the transverse and longitudinal vibrations.

由于晶体表面周期性微观结构的影响，探针与晶体表面间存在着奇异的摩擦效应，利用它激励悬臂梁将产生复杂的非线性响应，这蕴含着纳米尺度下晶体表面的力学和摩擦学信息。一方面，通过考察晶体表面摩擦力对悬臂梁非线性振动的影响规律，能揭示出纳米尺度下探针-晶体表面间的非线性摩擦机理。另一方面，探针-晶体表面间的耦合振动状态能反映微观接触界面的力学行为，所激发的悬臂梁高次振动的频率、幅度和相位信息能对样品表面的力学参量进行表征和成像。此外，利用超声激励对探针-晶体之间的耦合振动进行精确控制，能对纳米尺度的摩擦力进行调控，制备超润滑纳机电系统。本项目结合申请人近年来在以上内容的相关工作，研究探针-样品之间的耦合振动机理和微悬臂梁的高次振动响应，利用声摩擦力扫描显微镜对表面力学参量进行表征,并探索在纵向和横向二维超声激励下的摩擦力调控规律和实现超润滑状态的条件。

由于晶体表面的微观结构，探针在其表面运动时受到微观摩擦效应的影响。如果利用超声激励附着在悬臂梁上的探针，将会产生复杂的非线性响应，这蕴含着纳米尺度下晶体表面的力学和摩擦学信息。这些物理信息为揭示纳米尺度下的摩擦力调控机制和晶体表面力学参量的表征、成像提供新的研究方法。所以，本项目研究了超声激励下的声摩擦力扫描显微镜中探针与晶体表面间非线性摩擦行为，建立了摩擦力与扫描悬臂梁耦合振动特征参量间的关系。通过研究非线性摩擦力的约束条件，建立了悬臂梁扭转-弯曲耦合振动理论模型；并给出了晶体纳米材料表面力学参量的表征方法。此外，通过研究晶体表面摩擦势的变化规律，建立了二维超声激励下的探针与晶体纳米材料间摩擦力模型。并探索了二维超声激励下的纳米尺度摩擦力调控机理和实现超润滑状态的条件。另一方面，为解决超声激励下声能量的有效传输问题,本项目研究了声波调控的新结构和新方法。通过对多层声介质的声穿透进行研究，提出了非完美阻抗匹配的方法，实现了声能量在多层异型介质中的有效传播。利用耦合谐振，实现了在阻抗严重失配条件下的声异常透射。以上问题的深入研究有助于理解和掌握超声激励下的探针-样品之间的摩擦力变化规律，揭示声摩擦力扫描显微镜中悬臂梁的非线性振动机理和振动控制方法，相关结果也将为纳米尺度下的摩擦力调控及表面力学参量表征提供重要的理论和实验基础。