Введение
Глава 1 Основные модели, описывающие взаимодействия острия зонда с поверхностью 35
1.1 Базовые подходы сканирующей зондовой микроскопии 35
1.2 Упругие силы 40
1.3 Критерии начала пластической деформации 43
1.4 Адгезионные модели 45
1.5 Инструментальное индентирование: упругие и пластические деформации 56
1.6 Капиллярные силы. 59
1.7 Данные о толщинах слоев адсорбированных жидкостей 67
1.8 Вязкое растекание жидкости под острием зонда 68
1.9 Модели вязкоупругого взаимодействия
1.10 Упругопластическое столкновение тел 76
1.11 Сдвиг частоты колебаний зонда при его контакте с поверхностью 77
Глава 2 Основные подходы к конструированию сканирующих нанотвердомеров 81
2.1 Описание элементов конструкции приборов 82
2.2 Конструктивные особенности зондовых датчиков СЗМ «НаноСкан» 88
2.3 Динамические методы измерений
2.3.1 Непрерывное измерение жесткости 92
2.3.2 Картографирование механических свойств поверхности. 94
2.4 Измерение твердости методом ультразвукового контактного импеданса 96
Глава 3 Анализ автогенераторного тракта и принципов измерения параметров колебаний зонда в приборах «НаноСкан» 99
3.1 Конструкция и возможности серийной конфигурации сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D» 99
3.2 Численный анализ зонда камертонной конструкции 108
3.3 Аналитическое рассмотрение пьезокерамического биморфного зонда в составе автогенераторного тракта 113
3.4 Анализ квазистационарного решения нелинейного уравнения колебаний 123
3.5 Свободные колебания зонда 129
3.6 Влияние привнесенных потерь на амплитуду колебаний зонда 131
3.7 Амплитудные и фазовые шумы измерительного автогенератора, оценка ширины его спектральной линии и их влияние на метрологические возможности резонансного зонда 134
Глава 4 Модели, описывающие изменение частоты колебаний зонда в процессе подвода острия индентора к поверхности 148
4.1 Анализ экспериментальных данных о форме острия индентора 148
4.2 Взаимодействие острия зонда с поверхностью по модели Герца. Расчеты и экспериментальная проверка 153
4.3 Контакт индентора в форме усеченного конуса с поверхностью. Расчеты и экспериментальная проверка 159
4.4 Упруго-пластическое взаимодействие с образцом. Расчеты и экспериментальная проверка 166
Глава 5 Анализ возможности измерения удельной локальной электропроводности материала с использованием гибридного пьезорезонансного зонда с токопроводящим индентором 175
5.1 Электрический ток при квазистатическом контакте индентора с поверхностью 175
5.2 Электрический ток при динамическом контакте индентора с поверхностью. Расчеты и экспериментальная проверка 178
5.3 Режим токового сканирования поверхности и измерения карт электропроводимости 181
Глава 6 Анализ физических явлений, влияющих на амплитуду колебаний зонда 191
6.1 Влияние слоя вязкой жидкости, находящейся на поверхности образца. Расчет и результаты модельного эксперимента. 191
6.2 Оценка влияния капиллярных эффектов 199
6.3 Влияние вязкоупругих свойств образца на поведение резонансного зонда. Аналитическая модель и экспериментальная проверка . 201
6.4 Оценка механических потерь, обусловленных пластической деформацией образца 206
6.5 Анализ влияния полосно-пропускающего фильтра тракта возбуждения на амплитуду автоколебаний зонда. 209
Глава 7 Построение карт механических свойств поверхности методом многоканального сканирования 216
7.1 Оценка сдвига резонансной частоты, при которой происходит пластическая деформация поверхности 216
7.2 Картографирование модуля упругости. Экспериментальное подтверждение возможности 222
7.3 Картографирование отношения твердости к квадрату модуля упругости. Экспериментальное исследование влияния рельефа поверхности на точность измерений 227
Заключение 245
Список сокращений 251
