光学原子力显微镜中的蒙特卡罗方法（英文）

扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy, SPM)是显微镜的一个分支,它利用物理探针扫描标本形成样本表面图像。而原子力显微镜(Atomic force microscopy, AFM)是SPM中一种多功能的表面成像和测量工具,对导电、不导电、真空中、空气中或流体中的各种样本均可测量。原子力显微镜最面临的最大挑战之一是评估其在表面测量过程中所伴随的不确定度。本研究通过XYZ Phase的标定,对一台光学原子力显微镜进行了校准。该方法旨在克服在评估一些无法实验确定的不确定部件时遇到的困难,如尖端表面相互作用力和尖端几何。运用蒙特卡罗方法来确定根据相关容差和概率密度函数(PDFs)随机绘制参数而引起的相关不确定度。整个过程遵循《测量不确定度表示指南》(GUM)补编2。经本方法验证,原子力显微镜的评估不确定度为10 nm左右。     

光学原子力显微镜中的蒙特卡罗方法

扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy,SPM)是显微镜的一个分支,它利用物理探针扫描标本形成样本表面图像.而原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)是SPM中一种多功能的表面成像和测量工具,对导电、不导电、真空中、空气中或流体中的各种样本均可测量.原子力显微镜最面临的最大挑战之一是评估其在表面测量过程中所伴随的不确定度.本研究通过XYZ Phase的标定,对一台光学原子力显微镜进行了校准.该方法旨在克服在评估一些无法实验确定的不确定部件时遇到的困难,如尖端表面相互作用力和尖端几何.运用蒙特卡罗方法来确定根据相关容差和概率密度函数(PDFs)随机绘制参数而引起的相关不确定度.整个过程遵循《测量不确定度表示指南》(GUM)补编2.经本方法验证,原子力显微镜的评估不确定度为10nm左右.     

复合型超精密表面形貌测量仪

研制了基于同一显微镜基体实现原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪.分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系以及探针微悬臂测量非线性误差的修正方法,和通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到了原子力探针的工作方式.研制了三维精密位移系统...     

基于弯曲法的AFM微悬臂梁弹性常数标定技术

原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)在微纳米尺度力学测量领域有着广泛应用,其微悬臂梁探针的弹性常数是直接影响测量结果准确性的关键因素之一.弯曲法是标定微悬臂梁弹性常数的一类重要方法,基于弯曲标定原理提出了一种新的技术实现方案,并研制了相应的标定系统.借助精密运动定位台使微悬臂梁接触超精密天平并产生弯曲,分别以天平和光杠杆机构同步测得接触力和梁的弯曲量,再根据胡克定律直接算得弹性常数.利用所研制的系统对多种型号的微悬臂梁进行了标定,实验结果表明该系统具有良好的准确性和重复性,测量相对标准差小于5％.     

新型电化学原子力显微镜的研制

电化学原子力显微镜将电化学分析技术与原子力显微镜结合起来,能对生物传感器,新型电池和电腐蚀进行原位电化学扫描探针显微测量分析。为了实现电化学与扫描探针功能的系统集成,在控制电路设计中采用现场可编程门阵列,提高了系统的可靠性。电化学控制箱与原子力显微镜的头部紧密集成,保证微弱信号不受干扰,并具有多种电化学工作模式。系统具有稳定性好,重复性高,抗干扰能力强等优点。     

金刚石刀具刃口轮廓新型检测方法与技术

研究了原子力显微镜扫描方式及原子力微探针坐标方式的刃口轮廓测量技术。原子力探针新型检测方法与技术可以在亚微米尺度内很好地克服传统测量方法精确度低的缺点，而且操作简便，为目前超精密加工领域中金刚石刀具研磨技术水平的提高提供了有利的技术手段。     

原子力显微镜矩形测力臂弹性系数计算方法研究

原子力显微镜测力臂弹性系数的准确性直接影响其测量精度,是仪器标定的一个重要指标。分别运用理论计算方法、动态计算方法和静态计算方法计算原子力显微镜测力臂弹性系数。以矩形测力臂为例,对其进行灵敏度分析,找出影响测力臂弹性系数的参数。分别选取矩形测力臂原始参数值及参数上下极限值,构成3组实验数据。利用上述3种计算方法,分别计算出3组不同参数值的矩形测力臂的弹性系数,然后对这3种计算方法计算所得的弹性系数进行分析并和生产商给出的名义值进行比较,所得结果为原子力显微镜矩形测力臂弹性系数的精确计算提供参考。     

超微生物力学测量中的原子力显微镜技术

原子力显微镜不仅可以在分子水平上对作用力进行测量,得到表面形状的图像,而且也可以用于高分子的解旋和空间构象的研究,此外也可研究样品表面的其他物理特性如压弹性、粘弹性特性的研究.文章首先阐明了微观力学表征的生物学意义,接着强调了原子力显微镜探针与样品间相互作用的类型及其在生物力学量测量中的原理和过程,之后分别介绍了原子力显微镜在细胞间黏附力、生物分子间相互作用、单分子力谱等方面的应用成果,最后结合原子力显微镜的应用现状对微观生物力的原子力显微镜深入研究进行了展望.     

计量型原子力显微镜的位移测量系统(英文)

针对纳米结构表征和纳米制造的质量控制需要,中国计量科学研究院设计并搭建了一台计量型原子力显微镜用于纳米几何结构的测量.为了将位移精确溯源到国际单位米,研制了单频8倍程干涉仪测量位移,样品表面形貌则由接触式原子力显微镜测量.一个立方体反射镜与原子力显微镜的测头固定,作为干涉仪的参考镜.两个互相垂直的干涉仪用于测量样品与探针在x-y方向的相对位置.样品台置于具有三面反射镜的零膨胀玻璃块上,由压电陶瓷位移台驱动.另外两台干涉仪测量样品与探针在z方向的位移,探针针尖位于干涉仪光束的交点以减小Abbe误差.由于光学器件的缺陷产生的相位混合会引起非线性误差,采用谐波分离法拟合干涉信号来修正误差,修正后干涉仪测量误差减小为0.7 nm.     

原子力显微镜测量双光子成型点的弹性模量

提出了一种飞秒激光双光子成型点弹性模量的测量及结果分析方法.借助于原子力显微镜,选用无针尖探针对成型点的力学性能进行了测试,建立了椭球-平面接触的弹性力学模型.考虑了成型点剩余部分形变对结果分析的影响,在标定微探针弹性系数和对粘附力进行分析的基础上,提取了力曲线中所包含的力学信息,推算出了成型点的弹性模量,得到了成型点的弹性模量低于宏观材料弹性模量的结论.     

用复合振子模型计算纳米尺度滑动摩擦力的研究

以光滑界面摩擦为研究对象,探讨用复合振子模型计算纳米尺度滑动摩擦力的原理和方法,推导出滑动摩擦力和摩擦因数的计算公式,并用原子力显微镜探针在硅试样和云母试样上做扫描实验进行验证。实验值与理论计算值的对比结果表明,两者所反映的规律基本一致,表明所提出的理论和方法可行。研究表明,滑动摩擦力与接触面积成线性增长关系,并随宏观振子横向刚度的增大而减小,由于可通过改变摩擦表面的几何形貌来改变宏观振子的横向刚度,因此这一结论将为摩擦控制提供一种新途径。     

原子力显微技术在生命科学中的应用概况

从原子力显微技术自发明以来应用于生命科学领域的文章量来概述其应用和发展情况；同时，分成生物大分子、超分子聚集体和细胞三类，总结了原子力显微技术应用于生命科学的大部分研究对象，并简单介绍了其应用的发展规律。     

AFM针尖"突跳"研究

为了研究原子力显微镜（AFM）“突跳”现象的产生机理，基于经典弹性理论和Lennard-Jones势能定律建立了AFM针尖与样品纳米接触的弹性模型。给出了在AFM针尖逐渐趋近样品表面的过程中，AFM针尖与样品间的粘着力、样品表面的轮廓曲线和样品表面的变形量随AFM针尖与样品表面间距的变化规律。分析了AFM“突跳”现象的产生机理和影响因素。研究表明，AFM“突跳”现象主要是由样品表面在粘着引力的作用下产生拉伸变形并与AFM针尖“突跳”接触引起的。     

生物大分子超微结构研究中的原子力显微术

原子力显微镜作为第三代显微探测工具,具有原子级的空间分辨率,其样品制备方法简单易行,可在离体的近生理条件下直接观测生物样品及其动态变化过程,能够对样品进行力学操纵,在观察生物大分子的结构和生物力学特性上具有显著的优势。本文尝试从蛋白质、核酸、多糖的超微结构和力学特性的研究角度入手,期望向读者展现出原子力显微镜在大分子生物学研究中的应用前景。     

薄壁件不一致刀齿铣削时铣削力系数构造与预测

针对薄壁件铣削过程中刀齿半径不一致现象引起的铣削力系数计算失真问题,提出构造刀齿半径不一致时的实际铣削力系数,并采用核偏最小二乘法对不同铣削用量时的实际铣削力系数进行预测。针对两齿螺旋铣刀铣削过程推导理论铣削力系数,根据刀齿半径不一致铣削过程引入名义铣削力,推导刀齿半径误差,构造实际铣削力系数;基于核分析方法突出的非线性分析及预测能力,提出采用核偏最小二乘法在高维空间建立实际铣削力系数关于铣削用量及其组合量的预测模型,分析该方法中核主元个数、高斯核函数核参数对预测模型精度的影响并确定其取值范围。最后分析考虑刀齿半径误差与不考虑时的铣削力系数,并比较核偏最小二乘预测方法与偏最小二乘预测方法,结果表明所提铣削力系数构造过程及预测方法具有较高的计算精度和预测能力。     

高速铣削过程铣削力建模及析因试验分析

根据铣削过程和铣刀的几何模型,建立铣削力的瞬时表达式和平均切削力公式,给出基于响应曲面法的切削力系数的二次多项式。综合应用析因试验设计和统计分析理论,计算切削力系数的回归系数模型并分析了切削参数对切削力系数的影响规律。     

基于斜角切削理论的钛合金螺旋铣孔切削力建模

通过分析螺旋铣孔的加工原理和计算加工过程中的运动向量,结合侧刃和底刃对切削力的影响,建立了螺旋铣孔过程的切削力解析模型。提出了基于斜角切削的切削力系数辨识方法,并根据斜角切削过程几何关系推导出摩擦角、剪切角、剪切应力的约束方程。开展切削力系数辨识试验和钛合金螺旋铣孔试验对仿真值进行验证,结果表明,切削力的仿真值与试验值误差较小,平均误差为9.55%,从而验证了斜角切削系数辨识方法的有效性和切削力模型的正确性。     

Identification and ultrastructural imaging of photodynamic therapy-induced microfilaments by atomic force microscopy

Atomic force microscopy (AFM) is an emerging technique for imaging biological samples at subnanometer resolution; however, the method is not widely used for cell imaging because it is limited to analysis of surface topology. In this study, we demonstrate identification and ultrastructural imaging of microfilaments using new approaches based on AFM. Photodynamic therapy (PDT) with a new chlorin-based photosensitizer DH-II-24 induced cell shrinkage, membrane blebbing, and reorganization of cytoskeletons in bladder cancer J82 cells. We investigated cytoskeletal changes using confocal microscopy and atomic force microscopy. Extracellular filaments formed by PDT were analyzed with a tandem imaging approach based on confocal microscopy and atomic force microscopy. Ultrathin filaments that were not visible by confocal microscopy were identified as microfilaments by on-stage labeling/imaging using atomic force microscopy. Furthermore, ultrastructural imaging revealed that these microfilaments had a stranded helical structure. Thus, these new approaches were useful for ultrastructural imaging of microfilaments at the molecular level, and, moreover, they may help to overcome the current limitations of fluorescence-based microscopy and atomic force microscopy in cell imaging.     

轴向超声振动辅助磨削的磨削力建模

以单颗磨粒为对象,分析轴向超声振动下磨粒的运动特性。在此基础上,将磨削力分为切屑变形力和摩擦力两部分,分别分析了轴向超声振动对切屑变形力和摩擦力的影响。在切屑变形力方面,轴向超声振动改变了磨粒运动方向与主切削方向间的夹角;在摩擦力方面,轴向超声振动降低了磨粒与工件间的摩擦因数。基于此建立了轴向超声振动辅助磨削的磨削力模型。通过对21Ni Cr Mo5H进行了轴向超声振动辅助磨削的磨削力试验,确定了模型中的常数,并验证了所建模型的正确性。建立的磨削力模型是轴向超声振动辅助磨削的磨削力预测的一种有效方法,对轴向超声振动辅助磨削机理的认识具有较大意义。     

Improved lateral force calibration based on the angle conversion factor in atomic force microscopy

A novel calibration method is proposed for determining lateral forces in atomic force microscopy (AFM), by introducing an angle conversion factor, which is defined as the ratio of the twist angle of a cantilever to the corresponding lateral signal. This factor greatly simplifies the calibration procedures. Once the angle conversion factor is determined in AFM, the lateral force calibration factors of any rectangular cantilever can be obtained by simple computation without further experiments. To determine the angle conversion factor, this study focuses on the determination of the twist angle of a cantilever during lateral force calibration in AFM. Since the twist angle of a cantilever cannot be directly measured in AFM, the angles are obtained by means of the moment balance equations between a rectangular AFM cantilever and a simple commercially available step grating. To eliminate the effect of the adhesive force, the gradients of the lateral signals and the twist angles as a function of normal force are used in calculating the angle conversion factor. To verify reliability and reproducibility of the method, two step gratings with different heights and two different rectangular cantilevers were used in lateral force calibration in AFM. The results showed good agreement, to within 10%. This method was validated by comparing the coefficient of friction of mica so determined with values in the literature.