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第1章 导论1

1.1 原子力显微术的诞生1

1.2 原子力显微术的发展阶段与里程碑1

1.2.1 早期发展（1987—1992年）2

1.2.2 探索与拓展（1993—1999年）2

1.2.3 微悬臂探针动力学（2000—2006年）3

1.2.4 多频原子力显微术（2007年至今）4

1.3 轻敲模式或振幅调制原子力显微术4

1.4 其他动态原子力显微术5

1.4.1 频率调制原子力显微术5

1.4.2 振幅调制与频率调制原子力显微术的对比6

参考文献6

第2章 仪器与基础概念13

2.1 概述13

2.2 振幅调制原子力显微术13

2.3 振幅调制原子力显微镜的基本组成13

2.3.1 反馈控制器14

2.3.2 光束反射式偏转检测技术15

2.3.3 其他偏转检测技术17

2.3.4 针尖-样品运动系统17

2.3.5 图像获取与显示18

2.4 微悬臂探针系统19

2.4.1 微悬臂19

2.4.2 针尖21

2.4.3 微悬臂探针振荡的激励22

2.5 校正标准22

2.5.1 光学灵敏度23

2.5.2 微悬臂力常数的校准23

2.6 常规实验曲线25

2.6.1 大气和液体环境下的共振曲线25

2.6.2 振幅和相位偏移与距离的关系曲线26

2.7 位移与距离27

参考文献28

第3章 针尖-表面间相互作用力33

3.1 概述33

3.2 范德华力34

3.3 机械接触力35

3.3.1 Derjaguin-Muller-Toporov模型36

3.3.2 Johnson-Kendall-Roberts模型37

3.4 毛细力38

3.5 液体环境下的力39

3.5.1 静电双层力40

3.5.2 Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek力40

3.5.3 溶剂化力41

3.5.4 水溶液中的其他力42

3.6 静电力42

3.7 非保守力43

3.8 净针尖-表面间相互作用力44

3.8.1 存在表面黏附回滞的硬质材料45

3.8.2 黏弹性材料45

参考文献45

第4章 振幅调制原子力显微术的基础理论50

4.1 概述50

4.2 运动方程50

4.3 点质量模型：基础方面52

4.3.1 谐振子53

4.3.2 弱扰动下的谐振子动力学55

4.4 点质量模型：解析近似56

4.4.1 扰动下的谐振子57

4.4.2 Wang模型58

4.4.3 位力能量耗散方法58

4.5 顶点力与平均力59

4.5.1 顶点力61

4.5.2 平均力61

4.6 点质量模型：数值解61

4.6.1 吸引和排斥相互作用区62

4.6.2 小于共振频率的微悬臂激励63

4.7 有效模型63

附录：Runge-Kutta法64

参考文献64

第5章 振幅调制原子力显微术的高等理论71

5.1 概述71

5.2 品质因数控制技术71

5.3 非线性动力学73

5.4 连续微悬臂梁模型75

5.4.1 一维模型76

5.5 点质量模型和连续模型的等价性79

5.6 系统理论描述80

5.7 力的重建方法：力与距离的关系曲线81

5.7.1 Lee-Jhe法82

5.7.2 H？lscher法83

5.8 时间分辨的力85

5.8.1 加速度85

5.8.2 高次谐振方法85

5.8.3 直接测量时间分辨的力86

参考文献87

第6章 液体环境下的振幅调制原子力显微术95

6.1 概述95

6.2 液体中微悬臂动力学的定量描述95

6.2.1 远离表面的动力学95

6.2.2 靠近表面的动力学96

6.3 液体中的相互作用力99

6.4 一些实验和理论方面的考虑100

6.5 液体中动态原子力显微术的理论描述101

6.5.1 解析描述：远离表面101

6.5.2 解析和数值描述：存在针尖-表面间相互作用力103

6.5.3 半解析模型103

6.5.4 有限元模拟106

参考文献107

第7章 原子力显微术中的相位像111

7.1 概述111

7.2 原子力显微术中的相位成像111

7.3 AFM相位成像的理论描述115

7.3.1 原子级的相位成像：高品质因数115

7.3.2 一般相位成像：低品质因数117

7.4 纳米尺度下能量耗散的测量117

7.4.1 能量耗散与可观测量118

7.4.2 能量耗散过程的辨识119

7.4.3 原子和纳米尺度下能量耗散的过程120

参考文献121

第8章 分辨率、噪声与灵敏度128

8.1 概述128

8.2 空间分辨率128

8.2.1 垂直分辨率与噪声128

8.2.2 横向分辨率130

8.3 图像失真与表面重建132

8.4 力诱导的表面形变133

8.5 原子、分子及亚纳米级的横向分辨率134

8.5.1 真实原子分辨135

8.6 单个分子的高分辨成像137

8.7 高分辨成像的条件137

8.8 图像中的伪象138

参考文献139

第9章 多频原子力显微术144

9.1 概述144

9.2 简正模式和谐振144

9.2.1 高次谐振的产生144

9.2.2 本征模式与高次谐振的耦合147

9.2.3 超越基频模式的成像148

9.3 双模式原子力显微术148

9.3.1 频率互调制150

9.4 模式合成原子力显微术151

9.5 扭转谐振原子力显微术152

9.6 频带激励154

参考文献155

第10章 超越形貌成像161

10.1 概述161

10.2 散射型近场光学显微术161

10.3 形貌成像与识别成像163

10.3.1 针尖功能化165

10.4 基于原子力显微术的纳米加工166

10.4.1 AFM氧化纳米刻蚀166

10.4.2 图案化与器件168

参考文献170

索引174