觀測儀器介紹
需要理解兩種接觸固體在從原子尺度到微米尺度的相對運動過程中相互作用的機理和動力學，以便對粘附，摩擦，磨損，壓痕和潤滑過程有基本的瞭解。對於大多數接觸形式，接觸發生在多個粗糙高點處。因此，人們早已認識到研究單個粗糙接觸在研究表面和介面的基本微米/奈米力學和微米/奈米摩擦學特性方面的重要性。近端探針的出現和發展，特別是掃描探針顯微鏡（掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡），表面力裝置以及用於模擬尖端表面相互作用和介面特性的計算技術，已經允許進行系統的研究。高解析度的介面問題，以及描述和處理奈米級結構的方法和手段。這些進展導致出現了納米摩擦學的新領域，該領域涉及從原子級，分子級到微米級的介面過程的實驗和理論研究。
在附著，摩擦，刮擦，磨損，壓痕和滑動表面上的薄膜潤滑過程中。近端探針也已用於機械和電氣表徵，區域性變形的原位表徵以及其他奈米力學研究。
需要進行奈米摩擦學和奈米力學研究，以小尺度發展對介面現象的基本瞭解，並研究磁儲存裝置，微/機電系統（MEMS / NEMS）和其他應用中使用的奈米結構中的介面現象。輕載的微米/奈米組分的摩擦和磨損高度依賴於表面相互作用（少數原子層）。這些結構通常塗有分子薄膜。奈米摩擦學和奈米力學研究對於宏觀結構中介面現象的基本理解也很有價值，並在科學與工程之間架起了橋樑。
表1、比較SFA，STM和AFM / FFM中用於微米/奈米摩擦學研究的典型操作引數
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執行引數 |
SFA |
STM |
AFM / FFM |
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配合面/尖端的半徑 |
~10mm |
5-10nm |
5-100nm |
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接觸面積半徑 |
10-40μm |
N/A |
0.05-0.5 |
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正常負載 |
10-100mN |
N/A |
＜0.1nN-500nN |
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滑動速度 |
0.001-100μm/s |
0.02-200μm/s（掃描尺寸〜1 nm×1 nm至125μm×125μm;掃描速率<1-122 Hz） | 0.02-200μm/s（掃描尺寸〜1 nm×1 nm至125μm×125μm;掃描速率<1-122 Hz） |
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樣品要求 |
通常使用原子級光滑且光學透明的雲母； 不透明的陶瓷，光滑的表面也可以使用 |
導電樣品 |
沒有特殊要求 |
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STM：可用於原子尺度成像 | |||
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由於應力與尖端半徑成反比，因此SFA可以提供非常低的應力測量能力 | |||
表面力裝置（SFA），掃描隧道顯微鏡（STM）以及原子力和摩擦力顯微鏡（AFM和FFM）廣泛用於奈米摩擦學和奈米力學研究。表1中對典型的工作引數進行了比較。 SFA於1968年開發，通常用於研究夾在兩個分子光滑表面之間的分子薄膜的靜態和動態特性。 1981年開發的STM允許以原子解析度對導電錶面進行成像，並已用於清潔表面和潤滑劑分子的成像。 1985年AFM的推出提供了一種測量探針尖端與工程（導電或絕緣）表面之間的超小力的方法，並已用於奈米級表面的形貌和表面粗糙度測量，以及用於粘附力測量。隨後對原子力顯微鏡的修改導致了原子力顯微鏡的發展，該理論被設計用於原子級和微米級的摩擦研究。該儀器測量掃描方向上的力。原子力顯微鏡還用於各種調查，包括刮擦，磨損，壓痕，材料轉移的檢測，邊界潤滑以及製造和加工。同時，在理解材料中鍵合和相互作用的基本性質方面的重要進展，再加上基於計算機的建模和模擬方法的進步，使得理論研究可以在空間和時間上獲得高解析度的複雜介面現象。這樣的模擬提供了對摩擦學過程中原子級能量，結構，動力學，熱力學，傳輸和流變學方面的認識。
已經使用表面力裝置實驗性地研究了兩個緊靠在一起的表面之間的相互作用的性質以及兩個彼此分離的接觸表面之間的相互作用的性質。這導致對錶面之間的法向力以及透過存在稀薄的液體或聚合物膜而改變法向力的方式有了基本的瞭解。已經透過橫向移動表面來研究此類系統的摩擦特性，並且此類實驗提供了對潤滑劑（例如液體或聚合物薄膜）的分子規模操作的瞭解。與這些研究相輔相成的是，使用AFM尖端模擬與固體或潤滑表面的單次粗糙接觸，如圖1所示。這些實驗表明，摩擦與表面粗糙度之間的關係並不總是簡單或明顯的。 AFM研究還揭示了磨損，壓痕和潤滑過程中緊密接觸的奈米級性質。
圖1、接觸介面和與介面接觸的掃描探針顯微鏡探頭的示意圖
SFA介紹
SFA工作原理圖
該裝置由一個小的氣密性不鏽鋼室組成，兩個分子平滑的彎曲雲母表面在其中接觸。 兩個雲母表面可以彼此相對或相互平移，並測量分離力和法向力。 為了研究受限液膜的剪下響應，在同時發生表面橫向滑動和法向運動時測量法向力和摩擦力。 此外，在動態互動過程中，可以隨時測量表面分離並可以隨時檢視區域性表面幾何形狀。
圖2、Fomblin Z和Y氟油潤滑膜的摩擦力與滑動時間的函式關係，測量值為1μm/ s
AFM/FFM介紹
圖3、AFM工作原理
FFM工作原理
AFM還用於表面高度成像和低至奈米級的粗糙度表徵。通常使用商業AFM / FFM同時測量表面粗糙度和摩擦力。這些儀器可用於測量小樣本和大樣本。在圖3所示的小樣品原子力顯微鏡中，通常不大於10 mm×10 mm的樣品以圓柱形管的形式安裝在壓電晶體上，該壓電晶體包括：分離電極以在光柵平面中的X–Y平面內精確掃描樣品，並沿垂直（Z）方向移動樣品。柔性懸臂自由端的尖銳尖端與樣品接觸。使用鐳射束偏轉技術測量施加在尖端樣品介面上的法向力和摩擦力。二極體鐳射器發出的鐳射束由稜鏡引導到懸臂的自由端附近，相對於水平面向下傾斜約10°。來自懸臂頂點的反射光束透過反射鏡引導到四光電探測器（具有四個象限的分離式光電探測器）上。來自頂部和底部光電二極體的差分訊號提供了AFM訊號，該訊號是懸臂垂直偏轉的敏感度量。樣品的地形特徵會導致在垂直掃描樣品時，樣品在垂直方向上發生偏轉。這種尖端偏轉將改變反射鐳射束的方向，從而改變頂部和底部光電探測器（AFM訊號）之間的強度差。在稱為高度模式的AFM操作模式下，對於地形成像或其他任何要保持法向力保持恆定的操作，都使用反饋電路來調製施加到掃描器的電壓，以調整掃描器的高度，使懸臂垂直偏轉（由頂部和底部檢測器之間的強度差決定）在掃描期間將保持恆定。因此，高度變化是樣品表面粗糙度的直接量度。
STM介紹
圖4、STM工作原理
探針外觀
用LHe冷卻的UHV STM在28K上成像的Si（111）原子解析度圖
可以使用STM進行導電錶面原子解析度的高度成像。 AFM原子力顯微鏡在表面成像期間的測量中，尖端與樣品表面緊密接觸，並導致表面變形，且尖端樣品與樣品的接觸面積有限（通常為幾個原子）。接觸區域的大小有限會阻止單個點缺陷的成像，並且只能成像原子晶格的週期性。而STM則不會接觸樣品表面。