静电/磁力探针表征介电及铁磁纳米薄膜有限元电磁场模拟

作     者：任贺 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李长明

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：静电力显微镜 磁力显微镜 纳米材料表征 有限元分析 介电常数 

摘      要：随着对能源技术的发展,电缆、电机、变压器等电力设备中广泛使用的电介质及磁性材料逐渐成为热门研究方向。静电力探针显微镜着重于研究电介质材料的表面电势、电荷和介电常数,而磁力探针显微镜主要研究磁性材料的微观磁结构和磁性能,如磁矩、磁畴、磁化特性等。本文采用有限元分析方法对静电和磁力探针表征介电及铁磁纳米薄膜进行电磁场模拟,研究探针和纳米薄膜的几何及尺寸与静电力和磁力的关联性及其对探针显微精确度的限制条件,为表征纳米材料的探针显微技术提供理论依据。通过静电场模拟对导电探针与金属基板上纳米介电薄膜之间的静电力进行3D有限元建模和分析,确定可以精确表征纳米薄膜介电常数所要求的薄膜横向临界尺寸（薄膜直径）。电介质薄膜厚度和横向尺寸分别在1nm～10μm和100nm～10μm范围,探针倾斜角在0°至20°之间,薄膜的相对介电常数在2～1000范围内变化,以涵盖大部分电介质材料。纳米介电薄膜的临界直径不仅取决于探针的几何形状和倾斜角度,还依赖于纳米介电薄膜的厚度:对于厚度大于100nm的纳米介电膜,其临界直径几乎与探针几何形状无关,主要取决于膜厚度和介电常数,并且遵循指数函数关系。对于满足静电力探针精确测量介电常数的近似横向无限纳米介电薄膜（横向尺寸大于临界直径）和超薄极限（厚度h10～100nm）,根据有限元静电场模拟结果建立考虑探针倾斜的有效解析模型,提供一个通用的探针静电力分析方案,以实现对金属基底上纳米介电薄膜介电常数的精确测定。对永磁探针-铁磁性纳米薄膜（单磁畴试样）测试系统进行3D有限元静磁场模拟,分析探针与测试纳米薄膜之间的磁力随探针和薄膜尺寸的变化,并探讨其对磁力探针扫描成像分辨率的限制作用,从而提出合理的磁力探针显微方法。分别从探针的形状和磁膜厚度,试样的磁矩方向和磁化强度、探针倾斜角等方面系统地分析扫描探针磁力信号的变化规律。永磁探针检测的磁力方向取决于磁性纳米试样的磁矩方向;与探针截锥半角相比,针尖曲率半径对磁力大小的影响更大;磁力大小和试样的磁化强度及探针表面的磁膜厚度呈正相关。磁力探针检测铁磁纳米薄膜的磁畴磁矩依赖于试样厚度,当试样厚度增加至横向直径的几倍时将达到临界厚度,探针检测的磁力信号主要来自于磁畴表面磁矩的贡献,致使磁力探针无法精确的表征铁磁纳米薄膜的微观磁畴结构。