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原子力显微镜(AFM)在材料中的应用

标签: 显微镜原子力
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。 AFMSTM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 xyz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AFMSEM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


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。

图 5  橡胶中的掺杂情况


为了系统的学习AFM的相关知识,小编整理了关于AFM的相关书籍资料,仅供小伙伴们参考学习。
MULTIMODE_8_INSTRUCTION_MANUAL-B_(004-1033-000).pdf (25.49 MB, 下载次数: 113) Asylum Research Cypher Scanning Probe Microscope_User Guide.pdf (5.27 MB, 下载次数: 40) 扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM).pdf (1.13 MB, 下载次数: 61) BRUKER原子力显微镜探针_简介.pdf (1.93 MB, 下载次数: 55) 原子力显微镜在材料科学研究中的应用.pdf (2.39 MB, 下载次数: 76)
fan582560413

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二锅头养河豚 发表于 2018-4-23 10:03:41
谢谢楼主分享!
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renxy 发表于 2018-11-10 00:45:09
谢谢!
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renxy 发表于 2018-11-10 00:45:45
提示格式错误,打不开是为什么?多谢!
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