CN105675923A - 试样表面的摩擦系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量试样表面的摩擦系数的方法，包括以下步骤：使用原子力显微镜(AFM)获得试样的表面信息；使用试样的表面信息计算试样表面的摩擦系数的数据；以及将试样的摩擦系数的数据映射成图像。测量试样表面的摩擦系数的方法可通过使用实际的被测量试样来校正原子力显微镜同时测量摩擦系数，来防止原子力显微镜的探针部分被磨损，并且确保摩擦系数值的高可靠性。

Description

试样表面的摩擦系数的测量方法

技术领域

本发明涉及测量试样表面的摩擦系数的方法。

背景技术

通常，原子力显微镜(AFM)已被用于测量试样表面的形状。

AFM通过测量利用在悬臂状结构的端部安装的探针按压试样表面所生成的悬臂的变形、来自探针的电压值等，对试样表面成像。

然而，由于来自AFM的根据试样的高度和形状存在不同，所以有必要校正在与试样表面平行的方向或在横向施加的力。

根据现有技术，已在使用单独的基准试样校正AFM之后，测量实际的被测量物体的表面形状。然而，存在探针由于频繁使用而容易磨损或损坏的问题。

发明内容

在优选方面，本发明提供一种测量试样表面的摩擦系数的方法。特别地，该方法可通过使用实际的被测量试样来校正原子力显微镜(AFM)同时测量摩擦系数，来防止原子力显微镜的探针部分被磨损，并且确保测量摩擦系数值的高可靠性。

根据本发明的示例性实施例，测量试样表面的摩擦系数的方法可包括以下步骤：使用原子力显微镜(AFM)获得试样的表面信息；使用试样的表面信息计算试样表面的摩擦系数的数据；以及将试样的摩擦系数的数据映射成图像。

在获得表面信息的步骤中，可通过从原子力显微镜(AFM)施加于试样表面的力获得电压值。

测量试样表面的摩擦系数的方法还可包括校正使用原子力显微镜获得的试样的表面信息的步骤。

在校正试样的表面信息的步骤中，该方法可包括以下步骤：测量试样的倾斜面的倾斜角和粘度及试样的平坦面的粘度；以及使用测量的倾斜面的倾斜角和粘度及平坦面的粘度的信息，校正试样的表面信息。

在校正表面信息的步骤中，校正信息可通过将试样的表面信息与校正常数α相乘来获得，并且校正常数可由以下方程式2确定。

[方程式2]

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\μ}}_S(L+A_{S}cos\mathrm{\θ})}{W_S({\cos }^2\mathrm{\θ}-{{\mathrm{\μ}}_S}^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}$

在方程式2中，α是校正常数，μ_S是倾斜面的摩擦系数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，θ是倾斜面的倾斜角，A_S是倾斜面的粘度，并且W_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值的一半。

此外，在校正表面信息的步骤中，倾斜面的摩擦系数μ_S可由以下方程式1确定。

[方程式1]

${\mathrm{\μ}}_S^2\sin \mathrm{\θ}(L\cos \mathrm{\θ}+A_S)-\frac{{\mathrm{\Δ}}_S}{W_S}(L+A_{S}cos\mathrm{\θ}){\mathrm{\μ}}_S+L_{S}sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}=0$

在方程式1中，μ_S是倾斜面的摩擦系数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，θ是倾斜面的倾斜角，A_S是倾斜面的粘度，W_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值的一半，并且Δ_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值。

在校正表面信息的步骤中，可由方程式1获得两个倾斜面的摩擦系数，可由方程式2获得两个校正常数，并可由以下方程式3获得试样的平坦面的摩擦系数，并可使用所获得的摩擦系数选择两个校正常数中的任何一个。

[方程式3]

${\mathrm{\μ}}_{flat}=\frac{{\mathrm{\αW}}_{flat}}{(L+A_{flat})}$

在方程式3中，μ_flat是平坦面的摩擦系数，α是校正常数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，A_flat是平坦面的粘度，并且W_flat是由原子力显微镜从平坦面测量的电压值的一半。

可将由方程式3获得的试样的平坦面的摩擦系数的两个值中的每一个值与由方程式1获得的倾斜面的摩擦系数的两个值中的每一个值进行比较，并可选择与差为最小的情况对应的校正常数的值用于校正试样的表面信息。

在计算试样表面的摩擦系数的数据的步骤中，摩擦系数的数据可由以下方程式5确定。

[方程式5]

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\α}W}{(L+A)}$

在方程式5中，μ是试样的摩擦系数，α是校正常数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，A是试样表面的粘度，并且W是由原子力显微镜测量的电压值的一半。

附图说明

从以下结合附图进行的详细说明中，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更加明显可见。

图1是根据本发明的示例性实施例的测量试样表面的摩擦系数的方法的示例性流程图。

图2是根据本发明的示例性实施例通过图1的测量试样表面的摩擦系数的步骤获得的示例性图像和信息曲线图。

图3是根据本发明的示例性实施例通过图1的映射试样表面的摩擦系数的数据的步骤获得的示例性摩擦系数图。

图4是根据本发明的示例性实施例使用通过图1的映射试样表面的摩擦系数的数据的步骤获得的摩擦系数图映射的示例性摩擦力图。

附图中各元件的附图标记

10：试样。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细说明根据本发明的示例性实施例的试样表面的摩擦系数的测量方法。

图1是根据本发明的示例性实施例的试样表面的摩擦系数的测量方法的示例性流程图。

参照图1，根据本发明的示例性实施例的测量试样表面的摩擦系数的方法S100可使用原子力显微镜(AFM)测量任何试样表面的摩擦系数和摩擦力。该方法可包括：使用原子力显微镜(AFM)获得试样的表面信息的表面信息获得步骤S110；使用试样的表面信息计算试样表面的摩擦系数的数据的校正步骤S120；计算步骤S130；以及将试样的摩擦系数的数据映射成图像的映射步骤S140。

在表面信息获得步骤S110中，可获得被测量的试样10的表面信息。具体地，可使用原子力显微镜(AFM)测量试样10的表面。

在本发明的示例性实施例中使用的原子力显微镜可通过如下方式获得试样10的表面信息，当探针安装至悬臂状结构的端部并且与被测量的试样10的表面接触时，取决于试样10的表面的原子之间的间隔，吸引力和排斥力可作用在原子之间，并且可测量由上述力引起的悬臂的弯曲程度。在这种情况下，可同时测量从探针测量的电压信息。

在表面信息获得步骤S110中，横向力可加压于试样10的表面，同时可使用原子力显微镜从试样表面测量由探针测量的电压量。在下文中，根据本发明的示例性实施例的试样10的表面信息是指由原子力显微镜从试样的各个表面测量的电压值。

在校正步骤S120中，可校正在表面信息获得步骤S110中使用原子力显微镜获得的试样10的表面信息。校正步骤S120可包括测量试样的倾斜面的倾斜角和粘度及试样的平坦面的粘度的测量步骤S121，以及使用测量的倾斜面的倾斜角和粘度及平坦面的粘度的信息来校正试样的表面信息的校正信息获得步骤S122。

原子力显微镜可通过探针对试样10的表面施加横向力的方式获得表面信息。由于施加的横向力可取决于试样10的表面形状和高度而不同地作用，所以为了计算具有高可靠性的摩擦系数的数据，可能需要考虑试样10的表面高度和形状来校正试样的表面信息。

因此，为了上述目的，在测量步骤S121中，可测量校正试样的表面信息所需的数据，并且在校正信息获得步骤S122中，可通过将从试样表面测量的电压信息与预定校正常数α相乘来确保校正的数据，并可计算确保校正的数据所需的校正常数α。在下文中，将说明测量步骤S121，随后将说明校正信息获得步骤S122。

图2示出在图1的用于试样的测量步骤S121中获得的示例性信息和曲线图。

参照图2，在测量步骤S121中，可测量获得校正常数α所需的数据。在本步骤S121中，可测量形成试样10的表面的坡度的倾斜面的倾斜角θ_S和相应倾斜面的粘度A_S以及平坦面的粘度A_flat。

由于步骤S121可确保用于确保校正常数α的值的数据，因此被测量的试样的倾斜面可不受限制，只要其为具有预定角度的坡度的区域即可。

在校正信息获得步骤S122中，可使用在上述测量步骤S121中测量的倾斜角和粘度的信息获得校正常数α。

首先，在步骤S122中，可使用以下方程式1计算从中测量倾斜角和粘度的倾斜面处的摩擦系数μ_S。

[方程式1]

${\mathrm{\μ}}_S^2\sin \mathrm{\θ}(L\cos \mathrm{\θ}+A_S)-\frac{{\mathrm{\Δ}}_S}{W_S}(L+A_{S}cos\mathrm{\θ}){\mathrm{\μ}}_S+L_{S}sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}=0$

在方程式1中，μ_S是倾斜面的摩擦系数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，θ是倾斜面的倾斜角，A_S是倾斜面的粘度，W_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值的一半，并且Δ_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值。

由于方程式1是摩擦系数μ_S的二次方程，所以如果方程式1得以求解，则可得到两个不同的摩擦系数的值μ_S1和μ_S2。

可使用以下方程式2计算校正常数α的值。

[方程式2]

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\μ}}_S(L+A_{S}cos\mathrm{\θ})}{W_S({\cos }^2\mathrm{\θ}-{{\mathrm{\μ}}_S}^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}$

在方程式2中，α是校正常数，μ_S是倾斜面的摩擦系数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，θ是倾斜面的倾斜角，A_S是倾斜面的粘度，并且W_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值的一半。

然而，由于在方程式1中计算出两个摩擦系数μ_S1和μ_S2，所以如果将这两个摩擦系数代入方程式2中，则可计算出与相应的摩擦系数μ_S1和μ_S2对应的两个校正常数α₁和α₂。

为了获得两个校正常数中的任何一个，可使用以下方程式3计算平坦面的摩擦系数。

[方程式3]

${\mathrm{\μ}}_{flat}=\frac{{\mathrm{\αW}}_{flat}}{(L+A_{flat})}$

在方程式3中，μ_flat是平坦面的摩擦系数，α是校正常数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，A_flat是平坦面的粘度，并且W_flat是由原子力显微镜从平坦面测量的电压值的一半。

如果将两个校正常数α₁和α₂代入方程式3中，则可计算出两个平坦面的摩擦系数μ_flat1和μ_flat2。

特别地，可计算相互对应的摩擦系数之间的值的差，并且可选择与差为最小的情况对应的校正常数用于校正。

即，可通过比较|μ_flat1-μ_s1|的值和|μ_flat2-μ_s2|的值，选择与具有较小值的情况对应的校正常数。例如，当假设|μ_flat1-μ_s1|具有更小的值时，α₁被选择为校正常数用于校正试样的表面信息。

可使用以下方程式4校正试样10的表面信息。

[方程式4]

W_C＝αW

在方程式4中，W_C是校正的试样的表面信息，α是最终确定的校正常数，并且W是实际测量的试样的表面信息。

在步骤S122中，可获得被校正为可靠性提高的试样10的表面信息。

在计算步骤S130中，可使用校正的试样的表面信息获得试样10的表面的摩擦系数μ。

在步骤S130中，可使用以下方程式5计算试样10的表面的摩擦系数μ。

[方程式5]

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\α}W}{(L+A)}$

在方程式5中，μ是试样的摩擦系数，α是校正常数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，A是试样表面的粘度，并且W是由原子力显微镜测量的电压值的一半。

同时，方程式5所要求的在试样的整个表面的粘度也可在表面信息获得步骤S110中获得，并且也可在上述测量步骤S121中获得，或者也可在本计算步骤S130中单独获得。

图3示出在图1的示例性试样表面的映射步骤S140中获得的示例性摩擦系数图，图4是使用在图1的试样表面的映射步骤中获得的摩擦系数图映射的示例性摩擦力图。

在映射步骤S140中，可使用最终计算出的摩擦系数μ获得映射成图像的图。即，如图3中所示，根据步骤S140，可制作映射试样表面的摩擦系数的值的图。

另外，如图4中所示，不仅可制作摩擦系数的图，也可制作使用计算的摩擦系数的图映射摩擦力的值本身的图。

如上所述，根据本发明的示例性实施例，可提供一种排除单独的校正试样，通过使用被测量的试样表面来校正原子力显微镜，能够减少探针的磨损的测量试样表面的摩擦系数的方法。

另外，可容易地制作将试样表面的摩擦系数和摩擦力成像的图。

然而，本发明并不限于上述示例性实施例，而是可在所附权利要求的范围内实现为各种示例性实施例。在不脱离本发明的主旨的情况下，直至由本发明所属领域的技术人员做出的各种修改范围，本发明处于以下权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种测量试样表面的摩擦系数的方法，包括以下步骤：

使用原子力显微镜(AFM)获得试样的表面信息；

使用所述试样的表面信息计算所述试样表面的摩擦系数的数据；以及

将所述试样的摩擦系数的数据映射成图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在获得试样的表面信息的步骤中，获得通过从所述原子力显微镜(AFM)施加于所述试样表面的力获得的电压值。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括校正使用所述原子力显微镜(AFM)获得的所述试样的表面信息的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在校正所述表面信息的步骤中，所述方法还包括以下步骤：

测量所述试样的倾斜面的倾斜角和粘度以及所述试样的平坦面的粘度；以及

使用测量的所述倾斜面的倾斜角和粘度以及所述平坦面的粘度的信息，校正所述试样的表面信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在校正所述表面信息的步骤中，通过将所述试样的表面信息与校正常数α相乘来获得校正信息，并且

所述校正常数由以下方程式2确定，

[方程式2]

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\μ}}_S(L+A_{S}cos\mathrm{\θ})}{W_S({\cos }^2\mathrm{\θ}-{{\mathrm{\μ}}_S}^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}$

其中α是校正常数，μ_S是倾斜面的摩擦系数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，θ是倾斜面的倾斜角，A_S是倾斜面的粘度，并且W_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值的一半。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在校正所述表面信息的步骤中，所述倾斜面的摩擦系数μ_S由以下方程式1确定，

[方程式1]

${\mathrm{\μ}}_S^{2}sin\mathrm{\θ}(Lcos\mathrm{\θ}+A_S)-\frac{{\mathrm{\Δ}}_S}{W_S}(L+A_{S}cos\mathrm{\θ}){\mathrm{\μ}}_S+L_{S}sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\θ}=0$

其中μ_S是倾斜面的摩擦系数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，θ是倾斜面的倾斜角，A_S是倾斜面的粘度，W_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值的一半，并且Δ_S是由原子力显微镜从倾斜面测量的电压值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在校正所述表面信息的步骤中，

由所述方程式1获得两个倾斜面的摩擦系数，并且由所述方程式2获得两个校正常数，并且

由以下方程式3获得所述试样的平坦面的摩擦系数，并且使用所获得的摩擦系数选择所述两个校正常数中的任何一个，

[方程式3]

${\mathrm{\μ}}_{flat}=\frac{{\mathrm{\αW}}_{flat}}{(L+A_{flat})}$

其中μ_flat是平坦面的摩擦系数，α是校正常数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，A_flat是平坦面的粘度，并且W_flat是由原子力显微镜从平坦面测量的电压值的一半。

8.根据权利要求7所述的方法，其中将由所述方程式3获得的所述试样的平坦面的摩擦系数的两个值中的每一个值与由所述方程式1获得的倾斜面的摩擦系数的两个值中的每一个值进行比较，并且选择与差为最小的情况对应的校正常数的值用于校正所述试样的表面信息。

9.根据权利要求1所述的方法，其中在计算所述试样表面的摩擦系数的数据的步骤中，所述摩擦系数的数据由以下方程式5确定，

[方程式5]

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\α}W}{(L+A)}$

其中μ是试样的摩擦系数，α是校正常数，L是从原子力显微镜施加于试样的力，A是试样表面的粘度，并且W是由原子力显微镜测量的电压值的一半。