水分子和纳米颗粒在空气中无处不在,大多数暴露于环境空气中的微纳器件表面都能吸附水,并且表面和被吸附的水分子之间的氢键相互作用不仅取决于材料表面的固有性质,还取决于外部的工作条件。当固体颗粒的尺寸缩小到微纳米尺度时,由于比表面积大大增加,因此吸附水对纳米颗粒与基底界面间的相互作用力(粘着力和摩擦力等)的影响变得显著。这使得纳米颗粒变成了微纳制造和MEMS运行过程中很大的隐患,保留或者去除这些纳米颗粒都很容易对器件产生摩擦磨损从而大大降低器件的使用寿命。另一方面,随着时代的发展,环保和节能变得越来越重要,净水装置由于纳米颗粒团聚会降低净化能力。因此本篇文章通过研究固体表面吸附水层的构造演化对纳米颗粒和表面以圆-平面接触的条件下粘着力和摩擦力滞后性的影响以便能更好的认识不同湿度下纳米颗粒的吸附和脱附特性。本文首先开展了AFM探针的磨损实验,分别采用SEM成像技术和标样反扫成像技术表征了氮化硅AFM探针曲率半径随滑动循环次数的变化规律,并对比阐明了后者标定针尖曲率半径的误差来源,构建了针尖反扫成像的曲率半径修正模型;其次,利用不同曲率半径的氮化硅探针在原始硅表面进行粘着力滞后性的测试实验,重点分析了探针的曲率半径和吸附水结构稳定时间对粘着力滞后性的影响规律,揭示了氮化硅探针在原始硅表面粘着力滞后现象的形成机理。最后,基于粘着力滞后性的研究,探究了探针尺寸和吸附水结构稳定时间对摩擦力滞后性的影响,对比分析了氮化硅针尖在亲、疏水材料表面的摩擦力滞后性,并且比较了粘着力和摩擦力随湿度变化关系的异同,初步揭示了两者间差异的原因。(1)探明了氮化硅AFM针尖随磨损次数的磨损规律,构建了基于针尖标样反扫成像技术的曲率半径修正模型,为AFM针尖曲率半径的准确测量奠定了基础探究了氮化硅AFM针尖与氮化硅表面往复滑动随循环次数的磨损规律。采用SEM表征技术和标样反扫成像技术表征了针尖曲率半径和磨损体积的变化规律。由于受标样本身曲率的影响,标样反扫成像技术获得的AFM针尖曲率半径大于SEM表征结果。曲率半径越小,差距越大。根据AFM探针与标样尖端的接触几何关系,构建了针尖标样反扫成像技术的曲率半径修正模型,为后续不同曲率半径针尖作用下粘着和摩擦滞后实验的开展奠定了基础。(2)观察到了微观粘着随湿度上升和下降具有明显的滞后性,同时发现粘着滞后具有探针“尺寸效应”随着环境湿度从0%上升至70%以及再降低至0%,氮化硅AFM针尖与原始硅表面间的粘着力表现出严重的滞后性,即湿度下降的粘着力大于上升阶段。进一步研究发现,这种滞后现象仅存在于氮化硅AFM探针的曲率半径小于150 nm的条件下,即微观粘着具有探针“尺寸效应”。(3)从界面水膜吸附和脱附角度初步揭示了微观粘着滞后的作用机理,并发现了粘着滞后具有“时间效应”重复粘着滞后实验无明显差异的结果证明针尖磨损不是引起粘着滞后的主要因素。进一步研究发现粘着滞后与界面吸附水膜的吸附和脱附明确相关,界面水膜的脱附过程慢于吸附过程,导致粘着滞后的发生。随着脱附时间的增加,粘着滞后会逐渐减弱,当脱附时间增加至20分钟时粘着滞后基本消失。(4)探究了微观摩擦滞后,并对比分析了粘着滞后和摩擦滞后性的异同当氮化硅AFM探针曲率半径小于150 nm时,微观粘着和摩擦均存在明显的滞后现象,且随针尖的曲率半径的增大或脱附时间的增加逐渐消失。对比研究发现,粘着滞后和摩擦滞后的变化趋势不一致,这可能主要归因于摩擦力和粘着力测量时针尖的运动方式不同导致的界面吸附水膜结构差异。