微悬臂梁法向和横向弹性常数可溯源性标定方法研究

纳米力学特性的表征对纳米材料的研究与应用具有重要意义。原子力显微镜是纳米力学特性表征的重要工具之一，原子力显微镜微悬臂梁的法向和横向弹性常数直接决定着力学测量的准确性，同时也影响纳米量级操纵和加工的效果。本项目研究一种精密天平与激光干涉相结合的微悬臂梁弹性常数可溯源性标定新方法，旨在提高微悬臂梁法向和横向弹性常数的测量精度，进而提高原子力显微镜纳米力学特性表征的精度，为纳米材料的研究提供更为可靠的实验数据；也可改善基于探针的纳米量级操纵和加工的效果，为纳米技术的真正应用提供技术依托。本项目的研究还可为建立微悬臂梁力学性能校验标准提供理论与实验基础。.本项目中设计的实验平台还可为开发新型的纳米力学特性测量仪器提供技术储备，并带动相关领域的研究与开发。

微悬臂梁具有结构简单、高灵敏度、成本低等特点，是纳米测试技术中的常用工具，尤其作为原子力显微镜探针时，在表面形貌测试、纳米操纵方面应用广泛，而作为力的感应元件微悬臂梁弹性常数对于扫描速度、力的测量等影响很大。本项目研究了一种新的精密天平与激光干涉相结合的微悬臂梁弹性常数可溯源性标定方法，通过天平求出加载力值，通过光杠杆法求出微悬臂梁的偏转量，最后由胡克定律求出弹性常数。该方法提高了微悬臂梁法向和横向弹性常数的测量精度，进而提高了原子力显微镜纳米力学特性表征的精度，为纳米材料的研究提供更为可靠的实验数据；也改善了基于探针的纳米量级操纵和加工的效果，为纳米技术的真正应用提供技术依托。.本项目完善了基于电磁天平标定微悬臂梁法向弹性常数的技术理论，提出了法向测量时横向扭转对标定结果影响的修正方法；将斜面法和天平相结合，建立原位标定横向弹性常数的数学模型。设计并搭建了超精密天平与光杠杆法结合的微悬臂梁弹性常数标定系统，微悬臂梁的法向、横向偏转量由光杠杆获得，弯曲力由天平测得；通过对系统的机械部件、光学系统及测控电路的优化提高了标定系统的稳定性和准确性，将系统的机械噪声降至最低，实现了微悬臂梁的法向和横向运动、弯曲量的获取等功能；对七种型号的微悬臂梁探针进行了标定，测量结果的重复性较好，并对标定结果进行了分析，其相对标准不确定度的A类评定优于1%。.由于本方法力的测量结果具有可溯源性，具有其他方法不可比拟的优势。本项目中设计的实验平台还可为开发新型的纳米力学特性测量仪器提供技术储备，并带动相关领域的研究与开发。.在本项目的资助下，共发表研究论文13篇，其中SCI检索2篇，EI检索9篇；获得2项国家发明专利授权；培养2名博士、1名硕士毕业并获得学位。