CN110375899B - 摩擦力测量装置及其工作方法 - Google Patents
摩擦力测量装置及其工作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110375899B CN110375899B CN201910688390.9A CN201910688390A CN110375899B CN 110375899 B CN110375899 B CN 110375899B CN 201910688390 A CN201910688390 A CN 201910688390A CN 110375899 B CN110375899 B CN 110375899B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- quantum dots
- friction
- friction force
- emitted light
- detector
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims abstract description 172
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 60
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 59
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 20
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 20
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 22
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 17
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000011160 research Methods 0.000 description 10
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 2
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 argon ion Chemical class 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical compound [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 description 1
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 239000004626 polylactic acid Substances 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000010979 ruby Substances 0.000 description 1
- 229910001750 ruby Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明提供了一种摩擦力测量装置及其工作方法，该装置包括：原子力显微镜探针，量子点，激光器，探测器，数据处理器；激光器，用于产生激发光照射在量子点上；量子点，与原子力显微镜探针耦合，用于根据激光器的激发光产生发射光；探测器，用于检测量子点产生的发射光的光谱信号；原子力显微镜探针，用于控制量子点在摩擦副表面摩擦；数据处理器，用于根据探测器检测到的光谱信号，确定摩擦力。本发明利用量子点发射光的光谱随尺寸变化发生明显改变的特性，实现量子点光谱定量表征摩擦力。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种摩擦力测量装置及其工作方法。
背景技术
据估计，全世界大约有1/3的能源以各种形式消耗在摩擦上，约80％的机器零部件也因摩擦导致的磨损而失效。我国是机械制造的大国，每年因摩擦磨损造成的损失比例将不少于国民生产总值的5％，由此造成的经济损失达上万亿元。因此，控制摩擦、减少磨损、改善润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。
近年来，超滑现象(超低摩擦)被认为是减低摩擦、磨损的有效途径之一。所谓的超滑态，理论上是指摩擦力会完全消失的状态。但实际上，当摩擦系数达到或低于0.001量级时的润滑状态就可以称之为超滑。超滑的研究涉及到表面材料、物理化学、机械工程等专业，而且具有跨学科的特性，最早于1991年由日本Hirano和Shinjo通过理论计算首次推演提出。然而，由于测量精度不够，关于超滑的实验结果当时没有得到大家的认可。近十年来，随着原子力显微镜(AFM)和表面力仪(SFA)等仪器的发展和应用，来自不同领域的研究学者对超低摩擦的测量技术进行了深入的研究，超滑的微观机理研究取得了一系列的成果。法国Martin等在超高真空的条件下发现固体MoS2层与层之间可实现超低摩擦的接触，Dienwiebel等使用扫描探针显微镜的针尖系统，推动了非公度石墨之间实现超滑现象。魏飞课题组采用微悬臂梁变形方法测量了超长双臂碳纳米管的内层被拔出力在超滑范畴的nN量级。由于超滑状态对应的摩擦系数极低，尤其是非接触和准接触状态下的摩擦副，其摩擦系数相比传统的润滑至少低一个数量级，同时由于摩擦系统各种因素的干扰和测量极限的限制，目前超低摩擦系数的检测技术非常匮乏。现在设备多采用双频干涉和力学传感器的方法，只能测量到千分之一的精度，部分报道万分之六已经达到测试仪器的下限。如何测量万分之一或者十万分之一的摩擦系数是当前研究的难题，也是制约超滑发展的关键。
阻碍超低摩擦系数检测技术发展的核心因素是原子尺度的检测和验证物理模型的实验手段较少，超低摩擦力检测精度不高。近年来，针对超滑的机理研究持续展开，层间弱作用力和不完全接触逐渐被认为是导致超低摩擦的主要原因。清华大学胡元中等采用第一性原理结合表面势能的计算方法，从理论和计算模拟的角度揭示了二维材料原子尺度摩擦和超滑机理，发现晶格失配将导致范德华异质界面摩擦力成数量级减小。上述研究主要停留在理论和模拟阶段，尚无合适的实验检测技术对其开展验证工作。发生于非接触和准接触界面的超滑结构，正压力N通常可以被认为非常小，几乎为零，对于摩擦系数的测量可以转化为对摩擦侧向力的测量。在这两种模式下，摩擦力比接触模式下摩擦力小几个数量级，多达到pN量级，而且用于测量摩擦力的扫描探针针尖与样品表面间距较大，分辨率低于接触式，实际操作相对困难，在实际应用中受到很大的限制。因此如何获得更高精度摩擦力的测量方法仍是一个难题。
在现有技术中，研究相关纳米摩擦学问题最常用的设备是原子力显微镜(AFM)。由于其探针的曲率半径在纳米量级，通过控制探针在一定载荷条件下的移动，结合其对样品表面产生的形变与损伤的原位观察与分析，可以研究微纳尺度下材料的摩擦及磨损问题。然而，采用AFM测量摩擦力时得到的只是一个电压信号，并非摩擦力的真实大小。而将摩擦力的电压信号转换成力信号时，需要对AFM测力系统进行标定。已被普遍采用的标定方法中，两步法的标定误差由于材料特性和悬臂梁厚度的不确定性，误差很大；楔形标定法被通常认为误差来源少、精度高，但是标定载荷对标定结果会有很大影响。另一个影响摩擦力检测精度的主要问题，当AFM探针与摩擦副相互作用时，会产生微小的倾角，如图1现有技术AFM探针与摩擦副作用示意图所示，AFM探针的针尖在摩擦副表面以速度v与摩擦副进行摩擦，AFM探针的针尖受到4个力的作用：L:载荷、N：正压力、F：实际摩擦力、M摩擦力测量值；在上述4个力的作用下，AFM探针会产生倾角θ，倾角θ会导致实际摩擦系数fR与摩擦系数测量值fM之间的测量误差增大；θ＝0.5°的微小倾角导致实际摩擦系数fR与摩擦系数测量值fM之间的摩擦系数的测量误差数量级可达0.01。特别的，对于摩擦条件为非接触和准接触状态时，摩擦力非常小，通常小于nN量级，这种微小倾角带来的测量误差严重影响了超低摩擦的测量精度。
基于此，现有的超低摩擦力检测存在的问题是：摩擦系统误差来源多，精度差；力学传感器标定方法的不确定性高。
发明内容
本发明实施例提供一种摩擦力测量装置，利用量子点发射光的光谱随尺寸变化发生明显改变的特性，实现量子点光谱定量表征摩擦力，该装置包括：
原子力显微镜探针，量子点，激光器，探测器，数据处理器；
激光器，用于产生激发光照射在量子点上；
量子点，与原子力显微镜探针耦合，用于根据激光器的激发光产生发射光；
探测器，用于检测量子点产生的发射光的光谱信号；
原子力显微镜探针，用于控制量子点在摩擦副表面摩擦；
数据处理器，用于根据探测器检测到的光谱信号，确定摩擦力。
本发明实施例还提供一种上述摩擦力测量装置的工作方法，包括：
激光器产生激发光照射在量子点上；
量子点与原子力显微镜探针耦合，根据激光器的激发光产生发射光；
探测器检测量子点产生的发射光的光谱信号；
原子力显微镜探针控制量子点在摩擦副表面摩擦；
数据处理器根据探测器检测到的量子点产生的发射光的光谱信号，确定摩擦力。
本发明实施例提供一种摩擦力测量装置及其工作方法，利用量子点荧光光谱随尺寸变化发生明显改变的特性，实现量子点光谱定量表征摩擦力；量子点在摩擦力作用下会发生微弱的尺寸变化，由于量子点的发射光的光谱对尺寸的敏感度达到nm量级，甚至于pm量级，即使在超低摩擦力条件下，量子点的发射光的光谱性能仍然会有明显的响应，因此将量子点与扫描探针相耦合，利用量子点传感高灵敏度的优势，大幅提高超低摩擦力检测的精度，实现准确、快速和简便检测超滑态下的摩擦力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为现有技术AFM探针与摩擦副作用示意图。
图2为本发明实施例一种摩擦力测量装置的示意图。
图3为本发明实施例一种摩擦力测量装置的工作方法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
发明人在对超低摩擦力检测进行研究时发现，量子点的荧光(发射光)光谱具备随尺寸变化发生明显改变的特性，因此本发明实施例将量子点加入到摩擦力测量装置，实现超低摩擦力检测。量子点(Quantum Dot-QD)，是准零维度的纳米材料，由少量原子构成。一般的，量子点在三个维度上，其尺寸都在100nm以下，外观类似极小的点状物，内部的电子在各个方向的运动都受到其尺寸的限制，故而其量子限制效应表现的异常显著。这些量子点的半径小于可见光的波长，在激发光的作用下，这些材料便会展现出独特的光学特性：如优异的光信号稳定性、具有宽的激发带和较窄的发射谱，较大的斯托克斯位移，极易实现全光谱范围内的荧光等；当被制作为器件时，具有灵敏度高、设备简单、易于微型化等优点，因此量子点材料作为新型荧光纳米材料被广泛应用于分析检测领域。
量子点材料荧光(发射光)信号在外加力场作用下发生改变的原理是：由于量子点的内部空间结构使得其价带上的电子能量易被量子化，产生出分散的能级，当对量子点进行光学激发后，价电子便会被激发到较高的激发态能级，当价电子从高能级跃迁回较低的低能级时，会发射出不同能量的光子，产生荧光(发射光)。由于激发态能级是由量子点的结构决定的，通过改变量子点的尺寸可以很好的调控量子点的发光性能。由于量子点在三个维度尺寸皆处于nm量级，因此由微小的外加作用力引起的nm级甚至pm级的尺寸变化，都会造成其荧光(发射光)光谱的明显变化，量子点的这一特性使得其对力学信号的改变异常灵敏。
研究发现量子点在受到外加静水压力或者非静水压的作用下其荧光(发射光)峰的位置均会发生改变，目前已经研制出在受力时能带会产生变化的量子点，能带变化会引起量子点荧光(发射光)的光学属性发生变化；在能带产生变化时，量子点的光谱特征和光强都会随之产生变化，例如：2009年美国伯克利国家实验室的研究了不同形状的量子点在不同力作用下的光谱特征变化，并据此设计了基于四足状量子点的应变探针。2013年该实验室利用聚乳酸量子点纺丝，发现利用量子点荧光光谱随应变的红移现象可以很好的表征纺线的应变。2013年Kyle等人研究了量子点环氧树脂材料在低应力条件下的荧光响应发现量子点的荧光强度(光强)随应力的增大而减小。上述的量子点的这些特征光谱变化，在应力应变检测方面显示出了独特的优势。
基于上述对于量子点的研究，如图2本发明实施例一种摩擦力测量装置的示意图所示，本发明实施例提供一种摩擦力测量装置，利用量子点荧光光谱随尺寸变化发生明显改变的特性，实现量子点光谱定量表征摩擦力，该装置包括：
原子力显微镜探针，量子点，激光器，探测器，数据处理器；
激光器，用于产生激发光照射在量子点上；
量子点，与原子力显微镜探针耦合，用于根据激光器的激发光产生发射光；
探测器，用于检测量子点产生的发射光的光谱信号；
原子力显微镜探针，用于控制量子点在摩擦副表面摩擦；
数据处理器，用于根据探测器检测到的光谱信号，确定摩擦力。
在前述的本发明实施例提供的摩擦力测量装置中，具体实施时激光器可以是红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石激光器(YAG激光器)、氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氮分子激光器、准分子激光器、可调谐染料激光器或半导体二极管激光器等任意一种或几种组合，用于根据量子点的荧光特性，按照设定波长产生激发光，照射在量子点上，对量子点进行光学激发，使量子点产生发射光。
在前述的本发明实施例提供的摩擦力测量装置中，具体实施时量子点与原子力显微镜探针耦合，用于根据激光器的激发光产生发射光；在一个实施例中量子点可以采用高荧光产率、大光学吸收面的优质的量子点，此类量子点具有制备调节可控、荧光发光性能可调控和量子点表面可控修饰等优点；在实施例中，可以选取不同荧光特性的量子点，进行不同种类、不同量级的摩擦力测量，提升摩擦力测量的精度；在实施例中前述的不同荧光特性的量子点，是指量子点由于尺寸的不同而造成的发射光的光谱信号不同，量子点在受力时发射光的光谱改变也不同；同时还由于制作量子点的材料的不同，也会产生不同的荧光特性。
在前述的本发明实施例提供的摩擦力测量装置中，具体实施时探测器用于检测量子点产生的发射光的光谱信号；在实施例中，探测器具有高精度光谱检测能力，能够准确检测量子点的发射光的光谱变化，探测器的探测波长范围大于或等于与量子点的发射光的波长范围。
在前述的本发明实施例提供的摩擦力测量装置中，具体实施时原子力显微镜探针，用于控制量子点在摩擦副表面摩擦，产生摩擦力(侧向力)；在实施例中，原子力显微镜探针能够在多个方向上控制量子点在摩擦副表面摩擦，实现了多种方向摩擦力的测量，在具体实施例时，可以控制量子点在三维方向(x，y，z方向)上进行移动，控制量子点在三维方向上与摩擦副表面进行摩擦，实现多方位摩擦力测量；同时，原子力显微镜探针还能控制量子点与摩擦副之间的压力，进而实现检测不同压力情况下的摩擦力。
在前述的本发明实施例提供的摩擦力测量装置中，具体实施时数据处理器连接探测器，用于根据探测器检测到的光谱信号，确定摩擦力；在实施例中，数据处理器可以是集成在原子力显微镜数据处理设备里，也可以是将探测器检测到的光谱信号输出到单独的计算机中，对光谱信号进行分析计算，确定摩擦力。
前述的数据处理器根据探测器检测到的光谱信号确定摩擦力，在具体实施时，可以是数据处理器用于根据探测器检测到的量子点产生的第一发射光的光谱信号和第二发射光的光谱信号，确定摩擦力；所述第一发射光的光谱信号是量子点在未接触摩擦副时产生的；所述第二发射光的光谱信号是量子点在摩擦副表面摩擦时产生的。
在实施例中，在原子力显微镜探针控制量子点未接触摩擦副时，将量子点根据激光器的激发光产生发射光的光谱信号作为第一发射光的光谱信号，此时摩擦力为零；在原子力显微镜探针控制量子点在摩擦副表面摩擦时，量子点受到摩擦力导致尺寸发生改变，发射光的光谱信号发生改变，将量子点在摩擦副表面摩擦时根据激光器的激发光产生发射光的光谱信号作为第二发射光的光谱信号，此时为需要测量的摩擦力；探测器检测量子点产生的第一发射光的光谱信号和第二发射光的光谱信号，探测器连接数据处理器，将子点产生的第一发射光的光谱信号和第二发射光的光谱信号输出至数据处理器，数据处理器将量子点产生的第一发射光的光谱信号与第二发射光的光谱信号进行比较分析，根据量子点的尺寸受力改变与其发射光光谱改变的对应关系，得出摩擦力。在实施例中，量子点的尺寸受力改变与其发射光光谱改变的对应关系是在制备量子点时由量子点本身的物理特性决定的，例如量子点构成材料、原子/分子排列方式、形状、大小等多种物理特性；在制备量子点时，按照摩擦力测量的量级，制备各个量级的力场标准样品，建立系统标定方法。在进行摩擦力计算时，可以直接利用量子点的尺寸受力改变与其发射光光谱改变的对应关系，分析量子点产生的第一发射光的光谱信号和第二发射光的光谱信号，进而确定摩擦力。
在前述的本发明实施例提供的摩擦力测量装置中，为了将量子点更加稳固的与原子力显微镜探针耦合，在实施例中，摩擦力测量装置还可以包括：针尖增强微结构，量子点通过针尖增强微结构与原子力显微镜探针耦合；针尖增强微结构是在原子力显微镜探针上修饰一个尺寸、形状、成分已知的纳米级颗粒，成分可以是Ag或Au等，但不限于上述两种材质；针尖增强微结构与原子力显微镜探针的耦合方式有多种：可以是镀上去的，也可以是吸附在原子力显微镜探针表面，更可以是其他的耦合方式。量子点与针尖增强微结构的耦合方式也有多种：可以是将量子点吸附于针尖增强微结构上，也可以是将量子点涂抹在针尖增强微结构上，更可以是其他的耦合方式。针尖增强微结构的作用是产生针尖增强效应，增加信号强度。通过针尖增强微结构，一方面可以增强原子力显微镜探针与量子点的稳定耦合，使得本发明实施例的摩擦力测量装置可以更加稳定长时间运行，另一方面也可以增大量子点的光学吸收截面，进一步提高摩擦力测量的精度，增强量子点的信号强度。
在前述的本发明实施例提供的摩擦力测量装置中，为了更加精确的检测发射光的光谱信号，探测器可以包括多个探测器探头，用于多通道检测量子点的发射光的光谱信号。在实施例中，上述多个探测器探头对准量子点，通过多通道、多方向检测量子点的发射光的光谱信号，能够更准确的检测量子点的发射光的光谱信号，提高摩擦力测量的精度。在本发明实施例的一个实例中，探测器可以包括两个探测器探头：探测器探头1和探测器探头2；探测器探头1和探测器探头2同时连接到数据处理器。本领域技术人员应知道的是，上述探测器探头的数量并不以两个为限定，在实际应用时，可以采用一个探测器探头，还可以采用三个甚至更多探测器探头，实现多方位、多通道检测量子点的发射光的光谱信号，提高摩擦力检测的精度。
在前述的本发明实施例提供的摩擦力测量装置中，为了避免激光器产生的激发光影响探测器检测量子点产生的发射光的光谱信号，提高摩擦力测量精度，在实施例中，前述用于产生激发光照射在量子点上的激光器产生的激发光的波长范围，与量子点产生的发射光的波长范围之间没有交叠。在实施例中，探测器可以设定其探测波长范围为量子点产生的发射光的波长范围，通过设定探测器的探测波长范围，可以避免激光器产生发射光的影响，进一步的提高摩擦力测量精度。
基于前述的激光器产生的激发光的波长范围，与量子点产生的发射光的波长范围之间没有交叠，在实施例中，激光器产生的激发光的波长范围，可以小于量子点产生的发射光的波长范围。在实施例中，由于在多数情况下量子点的发射光的波长范围会落入可见光波长，因此可以采用激发光波长在小于可见光波长范围的激光器，能够使得量子点的发射光更明显，进一步提高摩擦力测量精度；在一个实施例中，激光器产生的激发光的波长范围在200nm-500nm；在一个实施例中，量子点产生的发射光的波长范围在400nm-750nm，即激光器的激光器产生的激发光的波长范围，小于量子点产生的发射光的波长范围，且没有交叠。上述提供的激光器的波长范围200nm-500nm，在应用时，需要考虑到量子点产生的发射光的波长范围；例如，激光器波长选用200nm-399nm时，量子点产生的发射光的波长范围可以在400nm-750nm；激光器波长范围选用400nm-500nm时，量子点产生的发射光的波长范围需要进行筛选，需要在501nm-750nm之间，以保证激光器产生的激发光不会影响到探测器检测量子点产生的发射光的光谱信号。在本发明实施例的一个实例中，激光器的波长范围选择200nm的不可见光，量子点的波长范围选择400nm的可见光，在实际应用时，还可以采用多种波长选择范围，以对应测量不同种类、不同方向、不同量级的摩擦力。
本发明实施例中还提供了一种上述摩擦力测量装置的工作方法，如下面的实施例所述。由于该工作方法解决问题的原理与一种摩擦力测量装置相似，因此该工作方法的实施可以参见摩擦力测量装置的实施，重复之处不再赘述。
如图3本发明实施例一种摩擦力测量装置的工作方法示意图所示，本发明实施例还提供一种上述摩擦力测量装置的工作方法，包括：
步骤301，激光器产生激发光照射在量子点上；
步骤302，量子点与原子力显微镜探针耦合，根据激光器的激发光产生发射光；
步骤303，探测器检测量子点产生的发射光的光谱信号；
步骤304，原子力显微镜探针控制量子点在摩擦副表面摩擦；
步骤305，数据处理器根据探测器检测到的量子点产生的发射光的光谱信号，确定摩擦力。
在一个实施例中，数据处理器根据探测器检测到的量子点产生的发射光的光谱信号，确定摩擦力，包括：
数据处理器根据探测器检测到的量子点产生的第一发射光的光谱信号和第二发射光的光谱信号，确定摩擦力；所述第一发射光的光谱信号是量子点在未接触摩擦副时产生的；所述第二发射光的光谱信号是量子点在摩擦副表面摩擦时产生的。
综上，本发明实施例提供一种摩擦力测量装置及其工作方法，利用量子点荧光光谱随尺寸变化发生明显改变的特性，实现量子点光谱定量表征摩擦力；量子点在摩擦力作用下会发生微弱的尺寸变化，由于量子点的发射光的光谱对尺寸的敏感度达到nm量级，甚至于pm量级，即使在超低摩擦力条件下，量子点的发射光的光谱性能仍然会有明显的响应，因此将量子点与扫描探针相耦合，利用量子点传感高灵敏度的优势，大幅提高超低摩擦力检测的精度，实现准确、快速和简便检测超滑态下的摩擦力。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种摩擦力测量装置，其特征在于，包括：
原子力显微镜探针，量子点，激光器，探测器，数据处理器；
激光器，用于产生激发光照射在量子点上；
量子点，与原子力显微镜探针耦合，用于根据激光器的激发光进行光学激发产生发射光；
探测器，用于检测量子点产生的发射光的光谱信号；
原子力显微镜探针，用于控制量子点在摩擦副表面摩擦；
数据处理器，用于根据探测器检测到的光谱信号，确定摩擦力。
2.如权利要求1所述的摩擦力测量装置，其特征在于：
数据处理器，用于根据探测器检测到的量子点产生的第一发射光的光谱信号和第二发射光的光谱信号，确定摩擦力；所述第一发射光的光谱信号是量子点在未接触摩擦副时产生的；所述第二发射光的光谱信号是量子点在摩擦副表面摩擦时产生的。
3.如权利要求1所述的摩擦力测量装置，其特征在于，还包括：针尖增强微结构，量子点通过针尖增强微结构与原子力显微镜探针耦合。
4.如权利要求1所述的摩擦力测量装置，其特征在于，所述探测器包括多个探测器探头，用于多通道检测量子点的发射光的光谱信号。
5.如权利要求1所述的摩擦力测量装置，其特征在于，激光器产生的激发光的波长范围，与量子点产生的发射光的波长范围之间没有交叠。
6.如权利要求5所述的摩擦力测量装置，其特征在于，激光器产生的激发光的波长范围，小于量子点产生的发射光的波长范围。
7.如权利要求6所述的摩擦力测量装置，其特征在于，激光器产生的激发光的波长范围在200nm-500nm。
8.如权利要求6所述的摩擦力测量装置，其特征在于，量子点产生的发射光的波长范围在400nm-750nm。
9.一种权利要求1-8任一所述的摩擦力测量装置的工作方法，其特征在于，包括：
激光器产生激发光照射在量子点上；
量子点与原子力显微镜探针耦合，根据激光器的激发光进行光学激发产生发射光；
探测器检测量子点产生的发射光的光谱信号；
原子力显微镜探针控制量子点在摩擦副表面摩擦；
数据处理器根据探测器检测到的量子点产生的发射光的光谱信号，确定摩擦力。
10.如权利要求9所述的工作方法，其特征在于，数据处理器根据探测器检测到的量子点产生的发射光的光谱信号，确定摩擦力，包括：
数据处理器根据探测器检测到的量子点产生的第一发射光的光谱信号和第二发射光的光谱信号，确定摩擦力；所述第一发射光的光谱信号是量子点在未接触摩擦副时产生的；所述第二发射光的光谱信号是量子点在摩擦副表面摩擦时产生的。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910688390.9A CN110375899B (zh) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | 摩擦力测量装置及其工作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910688390.9A CN110375899B (zh) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | 摩擦力测量装置及其工作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110375899A CN110375899A (zh) | 2019-10-25 |
| CN110375899B true CN110375899B (zh) | 2021-01-12 |
Family
ID=68256686
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910688390.9A Active CN110375899B (zh) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | 摩擦力测量装置及其工作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110375899B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112629507B (zh) * | 2020-12-28 | 2022-10-14 | 深圳清华大学研究院 | 超滑片转移方法以及超滑片转移控制系统 |
| CN113009186A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-22 | 清华大学 | 一种单细胞与工程界面摩擦的直观表征装置及方法 |
| CN113686481A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-11-23 | 西安交通大学 | 一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5193383A (en) * | 1990-07-11 | 1993-03-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Mechanical and surface force nanoprobe |
| CN1279414C (zh) * | 2004-03-15 | 2006-10-11 | 哈尔滨工业大学 | 微机械零件三维加工方法 |
| CN100561179C (zh) * | 2006-12-31 | 2009-11-18 | 哈尔滨工业大学 | 基于afm的纳米机械性能检测装置 |
| KR101628557B1 (ko) * | 2014-12-05 | 2016-06-08 | 현대자동차주식회사 | 시편 표면의 마찰계수 측정방법 |
| CN109406831B (zh) * | 2017-09-08 | 2021-02-19 | 西南交通大学 | 一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的矩形微悬臂梁探针设计及加工方法 |
-
2019
- 2019-07-29 CN CN201910688390.9A patent/CN110375899B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110375899A (zh) | 2019-10-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110375899B (zh) | 摩擦力测量装置及其工作方法 | |
| CN109406831B (zh) | 一种应用于纳米级单点接触超低摩擦系数测量的矩形微悬臂梁探针设计及加工方法 | |
| CN103105511B (zh) | 表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置及检测方法 | |
| Edwards et al. | Influence of atomic force microscope cantilever tilt and induced torque on force measurements | |
| EP2883041B1 (fr) | Procédé de caractérisation d'un objet en matériau composite | |
| Panich et al. | Improved method to determine the hardness and elastic moduli using nano-indentation | |
| CN106767493B (zh) | 一种变基准面凹坑深度测量方法 | |
| Wang et al. | Plasmonic crescent nanoarray-based surface lattice resonance sensor with a high figure of merit | |
| Awerbuch et al. | K-calibration of unidirectional metal matrix composites | |
| CN105928645B (zh) | 一种基于量子点的三向应力计 | |
| Zhou et al. | Fiber Optic Sensor for Smart Manufacturing | |
| CN212872462U (zh) | 一种海洋土触变特性测试系统 | |
| Mitsui et al. | Direct optical observations of surface thermal motions at sub-shot noise levels | |
| JP2012098211A (ja) | 金属薄膜の光学特性測定方法及び金属薄膜の光学特性測定装置 | |
| CN111880128A (zh) | 一种基于法诺共振的磁场探测器 | |
| Wang | Lateral force calibration in atomic force microscopy: minireview | |
| CN100480683C (zh) | 探测GaAsN半导体合金材料能带结构高阶临界点的方法 | |
| CN110031281A (zh) | 一种确定钢材种类的方法 | |
| CN114965396B (zh) | 基于量子点光漂白的光学元件亚表面缺陷检测方法及系统 | |
| CN109030423A (zh) | 金属纳米槽二维光栅传感器芯片及其在生化测试中的应用 | |
| CN113074841B (zh) | 基于fbg探针系统的形变灵敏度测量方法及界面力标定方法 | |
| CN108387551A (zh) | 一种基于导模共振效应的传感器 | |
| Zhao et al. | All Fiber Vector Magnetometer Based on Nitrogen-Vacancy Center. Nanomaterials 2023, 13, 949 | |
| CN105953957B (zh) | 一种基于量子点的十二面体三向应力计 | |
| Ma et al. | Remote two-dimensional nanometric localization of molecules by the analysis of fluorescence coupled to guided surface plasmons |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |