具有溯源性的原子力显微镜探针法向弹性常数标定系统

原子力显微镜（AFM）是一种能够观察和测量物质表面纳米尺度结构的重要仪器，其基本原理是通过悬臂梁探针扫描样品表面，利用悬臂梁的弯曲变形来反映表面的微观形貌。在这个过程中，悬臂梁探针的弹性常数对于测量结果的准确性起着至关重要的作用。因此，进行精确的标定对于确保AFM在微纳米尺度力学测试中的准确性至关重要。 所谓弹性常数，即胡克定律中的比例常数，它表示了材料或物体在弹性范围内受力和产生的形变量之间的关系。在AFM探针的情况下，弹性常数通常指的是悬臂梁探针的法向弹性常数，它描述了探针在垂直于样品表面方向上的弯曲与所受力之间的关系。在进行微纳米力学测试时，只有当探针的弹性常数被准确确定，才能确保测量得到的力-形变量曲线正确反映了样品表面的真实力学特性。 要实现探针弹性常数的精确标定，天平法提供了一个可溯源的测量途径。天平法之所以具有溯源性，是因为天平作为标准测量工具，其测量结果可以通过国家计量标准进行校准和追溯。在天平法标定系统中，AFM的悬臂梁探针与超精密电磁天平结合。在精密位移台的控制下，探针接触天平并产生弯曲，接触力由天平测量，同时，探针的弯曲量通过光杠杆检测并精确控制。最终，根据胡克定律计算出探针的弹性常数。 胡克定律是弹性力学中最基本的定律之一，由英国科学家罗伯特·胡克提出，其基本内容是：在弹性限度内，弹簧的伸长（或压缩）与作用于其上的力成正比。用数学公式表达即为：F = kx，其中F表示作用力，k表示弹簧的弹性常数，x表示弹簧的伸长或压缩量。因此，在本系统中，通过测量探针与天平接触时的受力和探针的弯曲量，就可以利用胡克定律计算得到探针的法向弹性常数。 为了验证该系统的可靠性和准确性，研究者使用该系统对四种不同型号的商用微悬臂梁探针进行了法向弹性常数的标定实验。实验结果显示，本系统具有良好的测量重复性。此外，通过进行不确定度分析，结果表明该系统的测量结果的相对标准不确定度优于2%。这意味着该标定系统的测量精度能够满足精密测量的要求，并且为微纳米力学测试提供了一个可靠的标定手段。 关键词中提到的"cantilever"即悬臂梁，"traceable calibration"指的是有溯源性的标定，而"Sader"可能是指的Sader方法，这是一种用于计算AFM悬臂梁弹性常数的理论模型，它通常结合激光束偏转测量和悬臂梁的几何尺寸来计算弹性常数。 总结而言，原子力显微镜探针的法向弹性常数标定系统基于天平法，通过与超精密电磁天平的结合，实现了高精度的悬臂梁探针弹性常数的测量。这一方法具有测量可溯源、重复性好和不确定性低的优点，为微纳米力学测试领域提供了一个可靠的技术支撑。