原子力显微镜(AFM)在材料中的应用

fan582560413

本帖最后由 fan582560413 于 2017-6-20 11:21 编辑

1  原子力显微镜介绍
目前的各种扫描式探针显微技术中，以原子力显微镜(AFM)应用是最为广泛， AFM是以针尖与样品之间的属于原子级力场作用力，所以又被称为原子力显微镜。 AFM可适用于各种的物品，如金属材料、高分子聚合物、生物细胞等，并可以操作在大气、真空、电性及液相等环境，进行不同物性分析，所以AFM 最大的特点是其在空气中或液体环境中都可以操作，因此， AFM 在生物材料、晶体生长、作用力的研究等方面有广泛的应用。根据针尖与样品材料的不同及针尖－样品距离的不同，针尖与样品之间的作用力可以是原子间斥力、范德瓦尔斯吸引力、弹性、粘附力、磁力和静电力以及针尖在扫描时产生的摩擦力。通过控制并检测针尖与样品之间的这些作用力，不仅可以高分辨率表征样品表面形貌，还可分析与作用力相应的表面性质：摩擦力显微镜可分析研究材料的摩擦系数；磁力显微镜可研究样品表面的磁畴分布，成为分析磁性材料的强有力工具；利用电力显微镜可分析样品表面电势、薄膜的介电常数和沉积电荷等。另外， AFM 还可对原子和分子进行操纵、修饰和加工，并设计和创造出新的结构和物质。

2  原子力显微镜工作原理
      AFM是在STM基础上发展起来的，是通过测量样品表面分子(原子)与AFM微悬臂探针之间的相互作用力，来观测样品表面的形貌。 AFM与 STM的主要区别是以1个一端固定而另一端装在弹性微悬臂上的尖锐针尖代替隧道探针，以探测微悬臂受力产生的微小形变代替探测微小的隧道电流。其工作原理：将一个对极微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种作用力恒定，带有针尖的微悬臂将对应于原子间的作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。 AFM主要是由执行光栅扫描和 z定位的压电扫描器、反馈电子线路、光学反射系统、探针、防震系统以及计算机控制系统构成。压电陶瓷管(PZT)控制样品在 x、 y、 z方向的移动，当样品相对针尖沿着 xy方向扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖、样品之间的距离发生改变。当激光束照射到微悬臂的背面，再反射位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限收到的激光强度差值，同微悬臂的形变量形成一定的比例关系。反馈回路根据检测器信号与预置值的差值，不断调整针尖、样品之间的距离，并且保持针尖、样品之间的作用力不变，就可以得到表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时，可以采用恒高模式进行扫描，即针尖、样品之间距离保持恒定。这时针尖、样品之间的作用力大小直接反映了表面的形貌图像。

图1 作用力与距离的关系

图2 原子力显微镜工作原理示意图

3 原子力显微镜在材料科学中的应用
3.1 三维形貌观察
过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是 AFM最基本的功能。AFM在水平方向具有0.1-0.2nm的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01nm。尽管AFM和扫描电子显微镜（ SEM）的横向分辨率是相似的，但AFM和SEM两种技术的最基本的区别在于处理试样深度变化时有不同的表征。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取， AFM对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。图3就是接触式下得到的二氧化硅增透薄膜原子力图像，同时还可以逼真的看到其表面的三维形貌。

图3 二氧化硅增透薄膜原子力图像

3.2 纳米材料与粉体材料的分析
原子力显微镜的横向分辨率为0.1～0.2nm，纵向为0.01nm，能够有效的表征纳米材料。粉体材料的研究中，粉体材料大量的存在于自然界和工业生产中，但目前对粉体材料的检测方法比较少，制样也比较困难。 AFM提供了一种新的检测手段。它的制样简单，容易操作。以微波加热法合成的低水合硼酸锌粉体为例。我们可以将其在酒精溶液中用超声波进行分散，然后置于新鲜的云母片上进行测试。其原子力显微图如图4所示。粒径约为20nm左右。

图 4 硼酸锌的AFM图

3.3 成分分析
在电子显微镜中，用于成分分析的信号是X－射线和背散射电子。 X－射线是通过SEM系统中的能谱仪（EDS）和波谱仪（WDS）来提供元素分析的。在SEM中利用背散射电子所呈的背散射像又称为成分像。而在AFM中不能进行元素分析，但它在PhaseImage模式下可以根据材料的某些物理性能的不同来提供成分的信息。图5是利用tapping模式下得到的原子力显微镜相位图像，它可以研究橡胶中填充 SiO2颗粒的微分布,并可以对 SiO2颗粒的微分布进行了统计分析。