原子力顯微鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用_圖文

1、原子力顯微鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用摘 要此論文簡(jiǎn)要敘述了原子力顯微鏡的工作原理及特點(diǎn),介紹其在材料科學(xué)中的應(yīng)用, 指出原子力顯微鏡在材料的研究過程中有廣闊得應(yīng)用前景。 原子力顯微鏡為掃描探針顯 微鏡家族的一員,具有納米級(jí)的分辨能力,其操作容易簡(jiǎn)便,是目前研究納米科技和材 料分析的最重要的工具之一。 原子力顯微鏡是利用探針和樣品間原子作用力的關(guān)系來得 知樣品的表面形貌。至今,原子力顯微鏡已發(fā)展出許多分析功能,原子力顯微技術(shù)已經(jīng) 是當(dāng)今科學(xué)研究中不可缺少的重要分析儀器。關(guān)鍵詞:原子力顯微鏡,材料,掃描探針,表面形貌Application of Atomic Force Microscope in

2、Material Research ABSTRACTThe priciple and character of atomic force microscope is depicted by this article and we also introduced the application of atomic force microscope. Great superiority and potential of application in field of material is showed. Atomic force microscope is number of the scann

3、ing probe microscope family. It is capable of generating 3D images of surface topography with nanometer. Also it will be operated easily. Consequently,it is the most useful instrument which can be utilized for nanometer technology and material research at present. atomic force microscope scans the s

4、urface by the force of atomic range, which generated by the probe and the specimens. Nowadays the atomic force microscope have owned many analytical functions. And the atomic force microsco pic technology is indispensable in the technological research currently.KEY WORDSWORDS:atomic force microscope

5、,material,scanning probe,surface topography目 錄3原子力顯微鏡在材料科學(xué)研究方面的應(yīng)用實(shí)驗(yàn) . 20 3.1實(shí)驗(yàn)綜述 . 20 3.2氧化錫紅外反射薄膜制備的基本原理 . 203.5原子力顯微鏡的表面分析 . 234原子力顯微鏡與其它顯微分析技術(shù) . 25 4.1原子力顯微鏡與其它顯微分析技術(shù)的比較 . 25 4.2原子力顯微鏡與掃描電子顯微鏡 . 27參 考 文 獻(xiàn) . 29X357485724注:版權(quán)所有,僅供參考,禁止擅自復(fù)制、轉(zhuǎn)載 1 1原子力顯微鏡的基本知識(shí)1.1顯微技術(shù)概述在近代儀器發(fā)展史上, 顯微技術(shù)一直隨著人類科技進(jìn)步而不斷的快速發(fā)展

6、, 科學(xué)研 究及材料發(fā)展也隨著新的顯微技術(shù)的發(fā)明,而推至前所未有的微小世界。自從 1982年 Binning 與 Robher 等人共同發(fā)明掃描穿隧顯微鏡 (scanningtunneling microscope, STM 之 后,人類在探討原子尺度的欲望上,更向前跨出了一大步,對(duì)于材料表面現(xiàn)象的研究也 能更加的深入了解,在這之前,能直接看到原子尺寸的儀器只有場(chǎng)離子顯微鏡 (Fieldion microscopy, FIM 與電子顯微鏡 (Electronmicroscope, EM 。 但礙于試片制備條件及操作環(huán) 境的限制, 對(duì)于原子尺寸的研究極為有限, 而 STM 的發(fā)明則克服了這些問題

7、。 由于, STM 其原理主要是利用電子穿隧的效應(yīng)來得到原子影像, 材料須具備導(dǎo)電性, 應(yīng)用上有所限 制,而在 1986年 Binning 等人利用此探針的觀念又發(fā)展出原子力顯微鏡 (Atomicforce microscope, AFM , AFM 不但具有原子尺寸解析的能力, 亦解決了 STM 在導(dǎo)體上的限 制,應(yīng)用上更為方便。自掃描式穿隧顯微鏡問世以來, 更有幾十種類型的探針顯微鏡一直不斷地被開發(fā)出 來,以探針方式的掃描探針顯微鏡 (ScanningProbe Microscope, SPM 是個(gè)大家族,其中 較熟識(shí)之技術(shù)如:掃描式穿隧顯微鏡 (STM,近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡 (NSOM,磁力顯

8、微鏡 (MFM,化學(xué)力顯微鏡 (CFM,掃描式熱電探針顯微鏡 (SThM,相位式探針顯微鏡 (PDM,靜電力顯微鏡 (EFM、側(cè)向摩擦力顯微鏡 (LFM,原子力顯微鏡 (AFM等。最早掃描式顯微技術(shù) (STM使我們能觀察表面原子級(jí)影像,但是 STM 的樣品基本 上要求為導(dǎo)體,同時(shí)表面必須非常平整, 而使 STM 使用受到很大的限制。而目前的各 種掃描式探針顯微技術(shù)中,以原子力顯微鏡 (AFM應(yīng)用是最為廣泛, AFM 是以針尖與 樣品之間的屬于原子級(jí)力場(chǎng)作用力,所以又被稱為原子力顯微鏡。AFM 可適用于各種的 物品,如金屬材料、高分子聚合物、生物細(xì)胞等,并可以操作在大氣、真空、電性及液 相等環(huán)境

9、,進(jìn)行不同物性分析,所以 AFM 最大的特點(diǎn)是其在空氣中或液體環(huán)境中都可 以操作, 因此, AFM 在生物材料、晶體生長(zhǎng)、作用力的研究等方面有廣泛的應(yīng)用。根 據(jù)針尖與樣品材料的不同及針尖-樣品距離的不同, 針尖與樣品之間的作用力可以是原 子間斥力、范德瓦爾斯吸引力、彈性力、粘附力、磁力和靜電力以及針尖在掃描時(shí)產(chǎn)生 的摩擦力。 通過控制并檢測(cè)針尖與樣品之間的這些作用力, 不僅可以高分辨率表征樣品 表面形貌, 還可分析與作用力相應(yīng)的表面性質(zhì):摩擦力顯微鏡可分析研究材料的摩擦系數(shù);磁力顯微鏡可研究樣品表面的磁疇分布,成為分析磁性材料的強(qiáng)有力工具;利用電 力顯微鏡可分析樣品表面電勢(shì)、薄膜的介電常數(shù)和沉

10、積電荷等。另外, AFM 還可對(duì)原 子和分子進(jìn)行操縱、修飾和加工,并設(shè)計(jì)和創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)。1.2原子力顯微鏡工作原理AFM 是在 STM 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是通過測(cè)量樣品表面分子(原子與 AFM 微懸 臂探針之間的相互作用力, 來觀測(cè)樣品表面的形貌。 AFM 與 STM 的主要區(qū)別是以 1個(gè) 一端固定而另一端裝在彈性微懸臂上的尖銳針尖代替隧道探針, 以探測(cè)微懸臂受力產(chǎn)生 的微小形變代替探測(cè)微小的隧道電流。 其工作原理:將一個(gè)對(duì)極微弱力極敏感的微懸臂 一端固定,另一端有一微小的針尖,針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣 品表面原子間存在極微弱的排斥力, 通過在掃描時(shí)控制這種作用力恒

11、定, 帶有針尖的微 懸臂將對(duì)應(yīng)于原子間的作用力的等位面, 在垂直于樣品表面方向上起伏運(yùn)動(dòng)。 利用光學(xué) 檢測(cè)法或隧道電流檢測(cè)法, 可測(cè)得對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化, 將信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換從而 得到樣品表面原子級(jí)的三維立體形貌圖像。 AFM 主要是由執(zhí)行光柵掃描和 z 定位的壓 電掃描器、反饋電子線路、光學(xué)反射系統(tǒng)、探針、防震系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。 壓電陶瓷管 (PZT控制樣品在 x 、 y 、 z 方向的移動(dòng), 當(dāng)樣品相對(duì)針尖沿著 xy 方向掃描時(shí) , 由于表面的高低起伏使得針尖、 樣品之間的距離發(fā)生改變。 當(dāng)激光束照射到微懸臂的背 面,再反射位置靈敏的光電檢測(cè)器時(shí),檢測(cè)器不同象限收到的激光強(qiáng)度

12、差值,同微懸臂 的形變量形成一定的比例關(guān)系。 反饋回路根據(jù)檢測(cè)器信號(hào)與預(yù)置值的差值, 不斷調(diào)整針 尖、 樣品之間的距離, 并且保持針尖、 樣品之間的作用力不變, 就可以得到表面形貌像 。 這種測(cè)量模式稱為恒力模式。 當(dāng)已知樣品表面非常平滑時(shí), 可以采用恒高模式進(jìn)行掃描 , 即針尖、樣品之間距離保持恒定。這時(shí)針尖、樣品之間的作用力大小直接反映了表面的 形貌圖像。 圖 1-1作用力與距離的關(guān)系及 AFM工作原理示意目前現(xiàn)有三種基本操作模式,可區(qū)分為接觸式(contact 、非接觸式(non-contact 及輕敲式(tapping 三大類。接觸式及非接觸式易受外界其它因素,如水分子的吸引, 而造成

13、刮傷材料表面及分辨率差所引起之影像失真問題, 使用上會(huì)有限制, 尤其在生物 及高分子軟性材料上。以下簡(jiǎn)單介紹三種基本形式的基本原理:(1接觸式 (Contactmode :利用探針的針尖與待測(cè)物表面之原子力交互作用(一 定要接觸,使非常軟的探針臂產(chǎn)生偏折,此時(shí)用特殊微小的雷射光照射探針臂背面, 被探針臂反射的雷射光以二相的 photo diode (雷射光相位偵檢器來記錄雷射光被探針 臂偏移的變化,探針與樣品間產(chǎn)生原子間的排斥力約為 10-6至 10-9牛頓。但是,由于 探針與表面有接觸, 因此過大的作用力仍會(huì)損壞樣品, 尤其是對(duì)軟性材質(zhì)如高分子聚合 物、細(xì)胞生物等。不過在較硬材料上通常會(huì)得到

14、較佳的分辨率。(2非接觸式 (Non-contactmode :為了解決接觸式 AFM 可能損壞樣品的缺點(diǎn), 便有非接觸式 AFM 被發(fā)展出來,這是利用原子間的長(zhǎng)距離吸引力范德華力來運(yùn)作。 Non-contact mode 的探針必需不與待測(cè)物表面接觸,利用微弱的范德華力對(duì)探針的振幅 改變來回饋。 探針與樣品的距離及探針振幅必需嚴(yán)格遵守范德華力原理, 因此造成探針 與樣品的距離不能太遠(yuǎn),探針振幅不能太大(約 2至 5nm ,掃描速度不能太快等限制。 樣品置放于大氣環(huán)境下,濕度超過 30%時(shí),會(huì)有一層 5至 10nm 厚的水分子膜覆蓋于樣 品表面上,造成不易回饋或回饋錯(cuò)誤。(3輕敲式 AFM (

15、Tappingmode :將非接觸式 AFM 加以改良,拉近探針與試片的 距離,增加探針振幅功能 (10300KHz ,其作用力約為 10-12牛頓, Tapping mode 的探 針有共振振動(dòng), 探針振幅可調(diào)整而與材料表面有間歇性輕微跳動(dòng)接觸, 探針在振蕩至波 谷時(shí)接觸樣品,由于樣品的表面高低起伏,使得振幅改變,再利用回饋控制方式,便能 取得高度影像。 Tapping mode AFM 的振幅可適當(dāng)調(diào)整小至不受水分子膜干擾,大至不 硬敲樣品表面而損傷探針, XY 面終極分辨率為 2nm 。 Tapping mode AFM 探針下壓力量 可視為一種彈性作用,不會(huì)對(duì) z 方向造成永久性破壞。

16、在 x y 方向,因探針是間歇性跳 動(dòng)接觸,不會(huì)像對(duì) Contact mode 在 x y 方向一直拖曳而造成永久性破壞。但由于高頻率 探針敲擊,對(duì)很硬的樣品,探針針尖可能受損。如圖 1-2 圖 1-2經(jīng)敲擊式后探針的尖端損耗圖 1-3為兩種不同操作模式下得到的照片。接觸式 敲擊式圖 1-3兩種不同模式下的圖片對(duì)比AFM 的探針一般由懸臂梁及針尖所組成,主要原理是由針尖與試片間的原子作用 力,使懸臂梁產(chǎn)生微細(xì)位移,以測(cè)得表面結(jié)構(gòu)形狀,其中最常用的距離控制方式為光束 偏折技術(shù)。 AFM 的主要結(jié)構(gòu)可分為探針、偏移量偵測(cè)器、掃描儀、回饋電路及計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)五大部分。 AFM 探針長(zhǎng)度只有幾微米長(zhǎng)

17、,探針放置于一彈性懸臂 (cantilever末端,探針一般由成份 Si 、 SiO2、 SiN 4、納米碳管等所組成,當(dāng)探針尖端和樣品表面非 常接近時(shí), 二者之間會(huì)產(chǎn)生一股作用力, 其作用力的大小值會(huì)隨著與樣品距離的不同而 變化,進(jìn)而影響到懸臂彎曲或偏斜的程度,以低功率雷射打在懸臂末端上,利用一組感 光二極管偵測(cè)器 (Photo detector 測(cè)量低功率雷射光反射角度的變化,因此當(dāng)探針掃描 過樣品表面時(shí), 由于反射的雷射光角度的變化, 感光二極管的二極管電流也會(huì)隨之不同 , 由測(cè)量電流的變化, 可推算出這些懸臂被彎曲或歪斜的程度, 由輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算可產(chǎn)生 樣品表面三維空間的一張影像。納米

18、碳管探針 由于探針針尖的尖銳程度決定影像的分辨率,愈細(xì)的針尖相對(duì)可得 到更高的分辨率,因此具有 納米尺寸碳管探針,是目前探針材料明日之星。 納米碳管 (carbonnanotube 是由許多五碳環(huán)及六碳環(huán)所構(gòu)成的空心圓柱體,因?yàn)?納米碳管具有優(yōu) 異的電性、彈性與軔度, 很適合作為原子力顯微鏡的探針針尖,因其末端的面積很小, 直徑 120nm ,長(zhǎng)度為數(shù)十納米。碳納米管因?yàn)榫哂袠O佳彈性彎曲及韌性,可以減少在 樣品上的作用力,避免樣品的成像損傷,使用壽命長(zhǎng),可適用于比較脆弱的有機(jī)物和生 物樣品。1.3原子力顯微鏡的功能技術(shù) 圖 1-4相位原子力顯微鏡分析表面不同成份影像變化MFM 掃描式磁場(chǎng)力顯微

19、鏡利用具磁性的探針 (Si鍍上一層磁性 Co-Cr 合金,第一次掃描 時(shí) Tapping Mode AFM 的振幅用來量測(cè)表面高低,分辨率約 2050nm 。在 Lift 第二次 掃描時(shí),振幅受現(xiàn)有磁場(chǎng)變化,依 Lift 提升高度而變更,可為雷射光偵測(cè)器得知,此差 異訊號(hào)可用來判斷表面磁場(chǎng)分布,最容易同時(shí)得到 AF M 及磁場(chǎng)分布影像,但是磁場(chǎng)大 小卻無法得知。 Tapping Mode 和 Lift Mode 的操作應(yīng)用,掃描前必須探針磁化,然后先 以 Tapping Mode 取得高度變化的影像, 然后再利用 Lift Mode 量測(cè)存在表面上方的磁場(chǎng) 分布, 因?yàn)樘结樢呀?jīng)經(jīng)過磁化所以在表

20、面上方掃描時(shí)只會(huì)感應(yīng)有磁場(chǎng)的區(qū)域, 如圖 1-5。 由于樣品磁場(chǎng)大小有不一樣的特性, 不能使用具強(qiáng)磁性的探針去掃描軟磁性的樣品, 否 則樣品磁場(chǎng)會(huì)被強(qiáng)磁性的探針?biāo)蓴_,造成一堆雜亂訊號(hào)。 圖 1-5掃描式磁場(chǎng)力顯微鏡磁場(chǎng)分布影像 圖 1-6硅表面放置的單層 Langmuir-Blodgett (LB影片SThM利用探針懸臂上加鍍的電路, 工件表面的熱梯度會(huì)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生電流,此電流可被 量測(cè)得知。在 Contact mode 或 Tapping mode AFM 操作下,均可在變溫控制下操作, 觀察材質(zhì)與溫度的關(guān)系。 可提供 50到 250于空氣 的操作。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有(1隔熱 保護(hù)裝置,確保掃

21、描儀不受熱而尺寸失序。(2探針溫度補(bǔ)償,使表面溫度與輸入溫度 一致。(3可程序化溫控,迅速變。如圖 1-7所示得到 PP 高分子熱度結(jié)晶變化之影像。 圖 1-7掃描式熱梯度探針顯微鏡觀察 PP 結(jié)晶熱行為變化影像提升高度而變更,此變化可為雷射光偵測(cè) 器得知,此差異訊號(hào)可用來判斷表面導(dǎo)電分布,掃描時(shí)同時(shí)得到表面高低及導(dǎo)電性分布 影像的二張圖像,如圖 1-8所示。但是此方式無法得知電壓大小,欲知電壓大小,須用 Surface Potential Meter 方式量測(cè)。 圖 1-8掃描式電場(chǎng)力顯微鏡 DVD-RW 電場(chǎng)影像對(duì)生物分子研究而言,對(duì) DNA 基本結(jié)構(gòu)及功能的了解一直是科學(xué)家追求目標(biāo), 早

22、在1953年 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)后,使人了解遺傳訊息如何在這當(dāng)中傳送, 并且也將生 物研究推展到分子生物的領(lǐng)域, 為了解個(gè)別分子的功能, 許多解析分子結(jié)構(gòu)的工具被發(fā) 展出來; 最先是 X-ray 繞射方法 (DNA 結(jié)構(gòu)即由此方法解出, 而后有核磁共振 (NMR, 再加上近年來的電子顯微鏡 (SEM、 TEM ,樣品必須進(jìn)行固化、切片、脫水、鍍金等步 驟,而無法得到生理含水環(huán)境下真實(shí)生物活性樣品的型態(tài),相對(duì)于以上的量測(cè)方法, 原 子力顯微鏡則提供了一個(gè)較好的方式。以原子力顯微鏡而言,有極佳的橫向分辨率, 同 時(shí)它可以提供在液相中進(jìn)行生物活性樣品進(jìn)行掃描分析, 如圖 1-9所示。 因此原子

23、力顯 微鏡液相測(cè)量生物分子活性微結(jié)構(gòu), 同時(shí)又可減少對(duì)生物樣品的破壞。 近年來在生理?xiàng)l 件下生物樣本的量測(cè)幾乎都以 AFM 為主要工具,此一機(jī)制在進(jìn)入液體中量測(cè)并不會(huì)改 變生物基本特性,所以對(duì)于生物樣本而言是一個(gè)最直接且適應(yīng)性高的方法。 圖 1-9AFM 在液相中進(jìn)行 DNA 掃描Lithography (微影 及 manipulation (操控術(shù)是目前相當(dāng)熱門的研究題目。多年 以 來 Lithography 應(yīng)用力量及電流方式,已可在材料表面刻出或長(zhǎng)出不同 尺寸納米圖案。 目前研究上是針對(duì)(1如何劃出 100nm 級(jí)圖案,10nm 級(jí)線寬 (2圖案穩(wěn)定性及操控性 等工程議題。此兩議題在設(shè)備

24、上,目前可以 使用封閉式回路控制掃瞄器 (Closeloop scanner 解決。 Lithography 的要求均必需達(dá)到及時(shí)性,表示 AFM 掃瞄時(shí),欲將某物從 a 移動(dòng)至 b 時(shí),可在移動(dòng)后馬上掃瞄,期間探針無需重新下探針動(dòng)作,及時(shí)性就非常重 要。目前挑戰(zhàn) 的題目如納米級(jí)定位修補(bǔ),表面重組,生化上強(qiáng)制接種加速實(shí)驗(yàn)。 1990年, IBM 公司的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果,他們?cè)诮饘冁嚤砻嬗?35個(gè) 惰性氣體氙原子組成“ IBM ”三個(gè)英文字母如圖 1-10?？茖W(xué)家在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) STM 的探針不僅能得到原子圖象,而且可以將原子在一個(gè)位置吸住,再搬運(yùn)到另一個(gè)地方放下。 這可真是個(gè)

25、了不起的發(fā)現(xiàn),因?yàn)檫@意味著人類從此可以對(duì)原子進(jìn)行操縱。圖 1-10最小的 IBM 廣告2原子力顯微鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用AFM 是利用樣品表面與探針之間力的相互作用這一物理現(xiàn)象,因此不受 STM 等要 求樣品表面能夠?qū)щ姷南拗?可對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行探測(cè),對(duì)于不具有導(dǎo)電性的組織、生物材料 和有機(jī)材料等絕緣體, AFM 同樣可得到高分辨率的表面形貌圖像,從而使它更具有適 應(yīng)性,更具有廣闊的應(yīng)用空間。 AFM 可以在真空、超高真空、氣體、溶液、電化學(xué)環(huán) 境、常溫和低溫等環(huán)境下工作,可供研究時(shí)選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境,其基底可以是云母、硅、 高取向熱解石墨、玻璃等。 AFM 已被廣泛地應(yīng)用于表面分析的各個(gè)領(lǐng)域,通過對(duì)

26、表面 形貌的分析、歸納、總結(jié),以獲得更深層次的信息。2.1在材料科學(xué)方面中的應(yīng)用通過檢測(cè)探針與樣品間的作用力可表征樣品表面的三維形貌,這是 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約為 0.01nm 。 盡管 AFM 和掃描電子顯微鏡 (SEM 的橫向分辨率是相似的,但 AFM 和 SEM 兩種技 術(shù)的最基本的區(qū)別在于處理試樣深度變化時(shí)有不同的表征。 由于表面的高低起伏狀態(tài)能 夠準(zhǔn)確地以數(shù)值的形式獲取, AFM 對(duì)表面整體圖像進(jìn)行分析可得到樣品表面的粗糙度、 顆粒度、平均梯度、孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布等參數(shù),也可對(duì)樣品的形貌進(jìn)行豐富的三

27、維模擬 顯示, 使圖像更適合于人的直觀視覺。圖 2-1就是接觸式下得到的二氧化硅增透薄膜原 子力圖像,同時(shí)還可以逼真的看到其表面的三維形貌。 圖 2-1二氧化硅增透薄膜原子力圖在半導(dǎo)體加工過程中通常需要測(cè)量高縱比結(jié)構(gòu), 像溝槽和孔洞, 以確定刻蝕的深度 和寬度。這些在 SEM 下只有將樣品沿截面切開才能測(cè)量。 AFM 可以無損的進(jìn)行測(cè)量 后即返回生產(chǎn)線。圖 2-2為光柵的 AFM 圖像,掃描范圍為 4×4m。根據(jù)圖 2-2的結(jié) 果,通過 profile功能就可以定量測(cè)量刻槽的深度及寬度。 圖 2-2光柵的 AFM 圖在材料科學(xué)中,無論無機(jī)材料或有機(jī)材料,在研究中都有要研究文獻(xiàn),材料是

28、晶態(tài) 還是非晶態(tài)。 分子或原子的存在狀態(tài)中間化物及各種相的變化, 以便找出結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之 間的規(guī)律。在這些研究中 AFM 可以使研究者,從分子或原子水平直接觀察晶體或非晶 體的形貌、缺陷、空位能、聚集能及各種力的相互作用。這些對(duì)掌握結(jié)構(gòu)與性能之間的 關(guān)系有非常重要的作用。當(dāng)今納米材料是材料領(lǐng)域關(guān)注的課題,而 AFM 對(duì)納米材料微 觀的研究中,也是分析測(cè)視工具。納米材料科學(xué)的發(fā)展和納米制備技術(shù)的進(jìn)步,將需要 更新的測(cè)試技術(shù)和表征手段,以評(píng)價(jià)納米粒子的粒徑、形貌、分散和團(tuán)聚狀況。原子力 顯微鏡的橫向分辨率為 0.10.2nm ,縱向?yàn)?0.01nm ,能夠有效的表征納米材料。 納米 科學(xué)和技術(shù)是在納

29、米尺度上(0.1100nm 研究物質(zhì)(包括原子、分子的特性和相 互作用, 并且利用這些特性的一個(gè)新興科學(xué)。 其最終目標(biāo)是直接以物質(zhì)在納米尺度上表 現(xiàn)出來的特性,制造具有特定功能的產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力方式的飛躍。納米科學(xué)包括納米 電子學(xué)、 納米機(jī)械學(xué)、 納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、 納米光學(xué)、 納米化學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域 。納米科學(xué)的不斷成長(zhǎng)和發(fā)展是與以掃描探針顯微術(shù) (SPM 為代表的多種納米尺度的研 究手段的產(chǎn)生和發(fā)展密不可分的?？梢哉f, SPM 的相繼問世對(duì)納米科技的誕生與發(fā)展 起了根本性的推動(dòng)作用,而納米科技的發(fā)展又為 SPM 的應(yīng)用提供了廣闊的天地。 SPM 是一個(gè)包括掃描隧道顯微術(shù)(STM 、原

30、子力顯微術(shù)(AFM 等在內(nèi)的多種顯微技術(shù)的 大家族。 SPM 不僅能夠以納米級(jí)甚至是原子級(jí)空間分辨率在真空、大氣或液體中來觀 測(cè)物質(zhì)表面原子或分子的幾何分布和態(tài)密度分布,確定物體局域光、電、磁、熱和機(jī)械 特性,而且具有廣泛的應(yīng)用性,如刻劃納米級(jí)微細(xì)線條、甚至實(shí)現(xiàn)原子和分子的操縱。 這一集觀察、 分析及操作原子分子等功能于一體的技術(shù)已成為納米科學(xué)研究中的主要工 具。在粉體材料的研究中, 粉體材料大量的存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中, 但目前對(duì)粉體 材料的檢測(cè)方法比較少,制樣也比較困難。 AFM 提供了一種新的檢測(cè)手段。它的制樣 簡(jiǎn)單,容易操作。以微波加熱法合成的低水合硼酸鋅粉體為例。我們可以將其在酒精

31、溶 液中用超聲波進(jìn)行分散,然后置于新鮮的云母片上進(jìn)行測(cè)試。其原子力顯微圖如圖 2-3所示。粒徑約為 20nm 左右。 圖 2-3硼酸鋅的 AFM 圖在電子顯微鏡中,用于成分分析的信號(hào)是 X-射線和背散射電子。 X -射線是通過 SEM 系統(tǒng)中的能譜儀(EDS 和波譜儀(WDS 來提供元素分析的。在 SEM 中利用背 散射電子所呈的背散射像又稱為成分像。而在 AFM 中不能進(jìn)行元素分析,但它在 Phase Image 模式下可以根據(jù)材料的某些物理性能的不同來提供成分的信息。圖 2-4是利用 tapping 模式下得到的原子力顯微鏡相位圖像,它可以研究橡膠中填充 SiO 2顆粒的微分 布,并可以對(duì)

32、 SiO 2顆粒的微分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。 圖 2-4橡膠中的參雜情況(相位圖晶體生長(zhǎng)理論在發(fā)展過程中形成了很多模型, 可是這些模型大多是理論分析的間接 研究,它們和實(shí)際情況究竟有無出入,這是人們最為關(guān)心的。因而人們希望用顯微手段 直接觀察到晶面生長(zhǎng)的過程。用光學(xué)顯微鏡、相襯干涉顯微鏡、激光全息干涉術(shù)等對(duì)晶 體晶面的生長(zhǎng)進(jìn)行直接觀測(cè), 也取得了一些成果。 但是, 由于這些顯微技術(shù)分辨率太低 , 或者是對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求過高, 出現(xiàn)了很多限制因素, 不容易對(duì)生長(zhǎng)界面進(jìn)行分子原子級(jí) 別的直接觀測(cè)。 原子力顯微鏡則為我們提供了一個(gè)原子級(jí)觀測(cè)研究晶體生長(zhǎng)界面過程的 全新有效工具。 利用它的高分辨率和可以在溶

33、液和大氣環(huán)境下工作的能力, 為我們精確 地實(shí)時(shí)觀察生長(zhǎng)界面的原子級(jí)分辨圖像、了解界面生長(zhǎng)過程和機(jī)理創(chuàng)造了難得的機(jī)遇。近幾年, 國(guó)外學(xué)者已經(jīng)開始利用原子力顯微鏡進(jìn)行晶體生長(zhǎng)機(jī)理的研究, 特別是研 究生長(zhǎng)界面的動(dòng)態(tài)過程,這些研究已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)理論和模型帶來了沖擊和挑 戰(zhàn),在此基礎(chǔ)上,晶體生長(zhǎng)理論可望有新的突破。這方面的工作不僅有利于晶體生長(zhǎng)理 論本身的發(fā)展,而且有利于指導(dǎo)晶體生產(chǎn)實(shí)踐,具有重要的理論和實(shí)際意義。應(yīng)用原子 力顯微鏡研究和修正晶體生長(zhǎng)機(jī)理已取得以下一些比較典型的進(jìn)展。美國(guó)科學(xué)家展示了一種新技術(shù),就是利用原子力顯微鏡 (AFM 觸發(fā)晶體生長(zhǎng)的 初結(jié)并實(shí)時(shí)地控制和觀察晶體生長(zhǎng)過程。美

34、國(guó)西北大學(xué)的 Chad Mirkin 與同事用涂有多 聚物的 AFM 探針在石英基片上完成了對(duì)一種多聚物晶體的生長(zhǎng)、觀察和控制 。 Mirkin 小組先在室溫下用 AFM 探針將一滴多聚 DL 賴氨酸(PLH 滴在石英基片上。接著, 他們用探針掃描這個(gè)基片,掃描區(qū)域?yàn)?8×8微米。在不斷地掃描過程中,他們先是發(fā) 現(xiàn)了兩塊三角形的結(jié)晶, 其中一塊邊長(zhǎng)只有 320納米。他們看到這兩顆“種子”不斷地生長(zhǎng),同時(shí)其它的晶體也在不斷出現(xiàn)。他們還發(fā)現(xiàn)如果在 AFM 探針上涂上一層 PLH 就 可以對(duì)晶體的生長(zhǎng)進(jìn)行控制。在控制實(shí)驗(yàn)中, PLH 是直接滴在石英基片上的,他們?cè)?出了各種大小的隨意結(jié)構(gòu)和

35、三角形晶體。 當(dāng)溫度提升至 35°C時(shí), 他們發(fā)現(xiàn)晶體由三棱 柱結(jié)構(gòu)變成了立方體結(jié)構(gòu)。如圖 2-5。這一對(duì)晶體的研究技術(shù)較之傳統(tǒng) X 射線衍射法, 最小研究對(duì)象要小 5個(gè)數(shù)量級(jí)。 這 一進(jìn)展的意是:以前由于晶體體積太小而無法用傳統(tǒng)方法研究的晶體初期生長(zhǎng)過程首次 展示在人們面前。圖 2-5晶體的生長(zhǎng)隨著膜技術(shù)的蓬勃發(fā)展,人們力圖通過控制膜的表面形態(tài)結(jié)構(gòu),改進(jìn)制膜的方法, 進(jìn)而提高膜的性能。在過去的多年的研究中,關(guān)于膜的制備、形態(tài)與性能之間的關(guān)系已 經(jīng)做了多方面的嘗試和研究, 而且這些嘗試和研究對(duì)于膜的形成與透過機(jī)理都十分有價(jià) 值,然而由于過程相當(dāng)復(fù)雜,對(duì)其中的理解仍然是不夠充分的。 1

36、988年,當(dāng) AFM 發(fā)明 以后, Albrecht 等人首次將其應(yīng)用于聚合物膜表面形態(tài)的觀測(cè)之中,為膜表面形態(tài)的研 究開啟了一扇新的大門。AFM 在膜技術(shù)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,它可以在大氣環(huán)境下和水溶液環(huán)境中研究膜的 表面形態(tài),精確測(cè)定其孔徑及孔徑分布,還可在電解質(zhì)溶液中測(cè)定膜表面的電荷性質(zhì), 定量測(cè)定膜表面與膠體顆粒之間的相互作用力。無論在對(duì)哪個(gè)參數(shù)的測(cè)定中, AFM 都 顯示了其他方法所沒有的優(yōu)點(diǎn),因此,其應(yīng)用范圍迅速增長(zhǎng),已經(jīng)迅速變成膜科學(xué)技術(shù) 中發(fā)展和研究的基本手段。 用于膜表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征研究的手段方法和很多,如掃描電子顯微鏡、壓汞法、泡點(diǎn)法、氣體吸附-脫附法、熱孔法以及溶質(zhì)透過特性

37、等等。其中只有掃描電子顯微鏡 能夠提供直接而又詳細(xì)的資料, 如孔形狀和孔徑分布。 它在一段時(shí)期曾是微電子學(xué)的標(biāo) 準(zhǔn)研究工具, 它可以分辨出小至幾個(gè)毫微米的細(xì)節(jié)。 但是這種顯微鏡要求試樣表面涂覆 金屬并在真空中成像, 三維分辨能力差, 發(fā)射的高能電子可能會(huì)損壞試樣表面而造成測(cè) 量偏差。 AFM 通過探針在試樣表面來回掃描,生成可達(dá)到原子分辨率水平的圖象,并 不苛刻的操作條件(它可以在大氣和液體環(huán)境中操作 ,以及試樣不需進(jìn)行任何預(yù)處理 的特點(diǎn),其在膜技術(shù)中的應(yīng)用引起了廣泛的興趣。AFM 在膜技術(shù)中的應(yīng)用與研究主要包括以下幾個(gè)方面:1膜表面結(jié)構(gòu)的觀察與測(cè)定,包括孔結(jié)構(gòu)、孔尺寸、孔徑分布;2膜表面形態(tài)

38、的觀察,確定其表面粗糙度;3膜表面污染時(shí)的變化,以及污染顆粒與膜表面之間的相互作用力,確定其污染程度;4膜制備過程中相分離機(jī)理與不同形態(tài)膜表面的之間的關(guān)系。膜表面結(jié)構(gòu)的觀察與測(cè)定當(dāng)一幅清晰的 AFM 圖象得到后, 在圖象上選定一條線作線分析 (line analysis ,可 做孔徑和孔徑分布的研究。在使用 AFM 觀測(cè)膜的表面時(shí),科研工作者不忘將其測(cè)定結(jié) 果與其它方法得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn), AFM 的接觸模式與非接觸模式的測(cè) 定結(jié)果相似,而 SEM 和 TEM 的測(cè)定值都偏小。造成這種偏差的原因是由測(cè)定方法所 決定的。 SEM 要求在樣品表面覆蓋一層導(dǎo)電層,而 TEM 要求制備樣品

39、的復(fù)制品。這些 對(duì)試樣的預(yù)先處理都會(huì)帶來測(cè)量上的偏差。這已經(jīng)得到了證實(shí)。同時(shí),膜也有可能被電 子光束所破壞。 在膜表面結(jié)構(gòu)和形態(tài)的觀察中研究人員還發(fā)現(xiàn), 膜的操作環(huán)境同樣會(huì)對(duì) 測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。我們知道, AFM 可以在大氣環(huán)境和液體環(huán)境中對(duì)膜表面進(jìn)行成像 掃描。 Bowen 在研究微孔膜時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著 NaCl 溶液濃度的變小,得到的表面圖象和 孔徑測(cè)定結(jié)果都相對(duì)較差。因此, AFM 不是說按一個(gè)簡(jiǎn)單的按鈕就可以完成所有的工 作,它需要在測(cè)試時(shí)調(diào)整各種參數(shù)以求達(dá)到最好的結(jié)果。盡管如此,它仍然不失為膜表 面觀察的首選技術(shù)。膜的表面粗糙度通常認(rèn)為, 由高分子材料制備得到的合成膜表面應(yīng)當(dāng)是光滑的,

40、因此認(rèn)為在膜的制 備過程中產(chǎn)生表面帶有花紋的膜是所不希望得到的。 但是, 隨著膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì) 膜現(xiàn)象的深入了解, 人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到為什么表面看似有花紋的膜在其透過通量上卻比 平整的膜表面有更大的優(yōu)勢(shì)。 AFM 利用其先進(jìn)的掃描技術(shù)和分析方法可以對(duì)膜的表面 圖象進(jìn)行分析,得到其粗糙度參數(shù)?？梢杂?AFM 觀察反滲透膜時(shí)找到膜的透過通量與 粗糙度之間的關(guān)系:隨膜表面粗糙度增高,膜的水通量增大,這是因?yàn)槟さ挠行娣e增大的緣故。 換言之, 表面粗糙度大的膜表面可以獲得更大的比表面積以及更大的透過通 量。用 AFM 研究膜表面時(shí)還發(fā)現(xiàn),膜表面的粗糙區(qū)可分為非晶形區(qū)和晶形區(qū),而且膜 表面的不規(guī)整性還

41、會(huì)影響膜的物理化學(xué)性質(zhì)。透氣通量與膜表面粗糙度的變化關(guān)系反滲透膜和超濾膜在水處理中的一個(gè)主要問題是膜污染。 在對(duì)膜的粗糙度進(jìn)行研究 時(shí)發(fā)現(xiàn),膜表面的粗糙度與膜污染之間存在一定的關(guān)系。 Elimelech 等研究了被膠體污 染了的醋酸纖維素反滲透膜和芳香聚酰胺反滲透復(fù)合膜, 發(fā)現(xiàn)芳香聚酰胺復(fù)合膜的受污 染程度高, 這主要?dú)w因于復(fù)合膜表面的粗糙度高。 而且膜表面圖象也顯示了相對(duì)于醋酸 纖維素反滲透膜較為平整的膜表面, 芳香聚酰胺復(fù)合膜存在大量的 “山峰”結(jié)構(gòu)。 Bowen 對(duì)納濾膜的研究也得到了相似的結(jié)果。由上可見, AFM 對(duì)膜表面的粗糙度的分析,對(duì)膜的性能與表面形態(tài)之間的關(guān)系研 究提供了極大的

42、方便。膜表面污染程度研究在研究膜的污染狀況前, 先看看 AFM 在其中的作用。 AFM 可以通過測(cè)量懸臂的彎 曲程度來測(cè)量膜表面與探針針尖之間的相互作用力。假設(shè)將針尖的硅/二氧化硅取而代 之,換以一球形顆粒附著在懸臂上,測(cè)量其與膜表面之間的作用力,便可知其在膜上的 粘附程度,從而預(yù)見膜表面的污染狀況,這種技術(shù)稱為 “膠粒探針”技術(shù)。隨著技術(shù)的 提高,顆粒的直徑可以從 0.75m做到 15m。利用“膠粒探針”技術(shù)定量分析膜表面 與各種材料之間的相互作用力使得快速評(píng)估不同顆粒在膜表面的污染狀況成為可能, 簡(jiǎn) 化了膜的研制過程, 并在膜材料的選擇方面提供理論指導(dǎo)依據(jù), 從而推動(dòng)低污染或無污 染膜的快

43、速發(fā)展。成膜機(jī)理研究高分子膜結(jié)構(gòu)與相分離機(jī)理緊密相關(guān), 尤其是非晶形聚合物, 相分離過程對(duì)膜的表 面形態(tài)和結(jié)構(gòu)影響極大。 AFM 對(duì)膜表面形態(tài)與結(jié)構(gòu)的成像與分析,對(duì)于膜制備過程中 的成膜機(jī)理研究也帶來了極大的幫助。AFM 在膜技術(shù)方面顯示了強(qiáng)大的應(yīng)用能力。無論在空氣中或是液體環(huán)境中, AFM 無需對(duì)膜進(jìn)行任何可能破壞表面結(jié)構(gòu)的預(yù)處理, 就能生成高清晰度的膜表面圖象。 通過 對(duì)膜表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及與顆粒間的相互作用力進(jìn)行測(cè)定,使人們掌握膜的結(jié)構(gòu)、形態(tài) 與膜性能之間的關(guān)系,了解膜的抗污染程度,以及對(duì)成膜機(jī)理進(jìn)行更深入的研究,推動(dòng) 膜科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展。2.2在其它有關(guān)方面中的應(yīng)用由于 AFM 的高

44、分辨率, 并且可以在生理?xiàng)l件下進(jìn)行操作和觀察, AFM 在生物學(xué)中 的應(yīng)用越來越得到重視。利用 AFM 可以對(duì)胞以及細(xì)胞膜進(jìn)行觀察。最先用 AFM 進(jìn)行 成像的細(xì)胞是干燥于蓋玻片表面的固定的紅細(xì)胞。在 AFM 成像中,掃描區(qū)域可變動(dòng)于 10um 和 1nm 之間,甚至更小。因而它能夠?qū)φ麄€(gè)細(xì)胞或單個(gè)分子成像,如離子通道 和受體。對(duì)于研究細(xì)胞來講, AFM 區(qū)別于其他工具最顯著的優(yōu)勢(shì)是其可以在生理?xiàng)l件 下進(jìn)行細(xì)胞成像。 如在生理鹽水中對(duì)紅細(xì)胞成像的辨別力為 30nm 。 AFM 為科學(xué)家在生 理?xiàng)l件下研究細(xì)胞膜和膜蛋白的結(jié)構(gòu)提供了有力的手段。 Langmuir-Blod gett(LB膜的 AF

45、M 成像提供了脂質(zhì)膜厚度的直接證據(jù) ,這在以前已用間接的方法測(cè)定或只是一種理 論推測(cè)。 AFM 的高度辨別力是亞納米水平的。 LB 膜的分子水平成像表現(xiàn)出單個(gè)頭部極 性基團(tuán)及分子排列, 包括它們的廣范圍裝配。 研究這些膜的好處在于人們可隨時(shí)改變脂 質(zhì)的組成,研究脂-脂相互作用,流動(dòng)性,及脂-蛋白間的相互作用。用 LB 膜進(jìn)行研究 的結(jié)論表明, AFM 對(duì)生物標(biāo)本成像在一般情況下與電鏡成像一致,但卻有電鏡所不具 有的優(yōu)越之處:即 AFM 是在近生理?xiàng)l件下成像。 AFM 成像并非僅僅限于天然生物膜, 而且可用于合成膜。利用這一點(diǎn),人們可以合成特定物質(zhì)所組成的生物膜,使蛋白質(zhì)能 夠按一定的秩序鑲嵌其

46、內(nèi)。 這種技術(shù)對(duì)于對(duì)那些在通常情況下不形成陣列的蛋白質(zhì)的成 像具有一定的意義。AFM 由于其納米級(jí)的分辨率,可以清楚的觀察大分子,如 DNA ,蛋白質(zhì),多糖的 物質(zhì)的形貌結(jié)構(gòu)。從首次用 AFM 獲得 DNA 分子的圖像以來, AFM 便成為研究 DNA 分子的重要工 具。分子辨別水平(23nm 的雙鏈 DNA 的成像也已能夠在空氣和液體中進(jìn)行,其螺 旋溝及輪匝可以辨認(rèn); DNA 分子的寬度和高度似乎依賴于操作環(huán)境(空氣或溶液,尖 端特性及所用底物。單鏈 DNA 無論在何種辨別水平都較難成像。似乎還沒有發(fā)現(xiàn)適宜 的制備方法或底物。此外, AFM 還被應(yīng)用于測(cè)定作用力和通過改變作用力而進(jìn)行的微小結(jié)

47、構(gòu)加工等方 面。通過改變探針的物理和化學(xué)性質(zhì),在不同的環(huán)境下來測(cè)量它與樣品表面的作用力, 從而可以獲得樣品的電性、磁性和粘彈性等方面的信息。 AFM 的這一功能對(duì)于研究粒 子之間的相互作用是非常有用的。 處于微懸臂前端的探針在樣品原子(分子的作用下將 使微懸臂產(chǎn)生形變。受吸引力的吸引時(shí),針尖端將向樣品彎曲,而受排斥力作用時(shí),向 遠(yuǎn)離樣品的方向彎曲。這種形變一般采用光學(xué)裝置來測(cè)量。在生命科學(xué)領(lǐng)域,可用于 AFM 來探測(cè) DNA 復(fù)制、蛋白質(zhì)合成、 藥物反應(yīng)等反應(yīng)過程中的分子間力的作用,若對(duì) 探針進(jìn)行生物修飾,可以測(cè)量單個(gè)配體-受體對(duì)之間的結(jié)合力。若將單個(gè)生物分子的分 子鏈尾端連接到 AFM 針尖

48、上, AFM 則可根據(jù)探針上的特定分子與樣品底物之間的結(jié)合來測(cè)定其力的大小。物理學(xué)中, AFM 可以用于研究金屬和半導(dǎo)體的表面形貌、表面重構(gòu)、表面電子態(tài) 及動(dòng)態(tài)過程,超導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層狀材料中的電荷密度等。從理論上講,金屬的 表面結(jié)構(gòu)可由晶體結(jié)構(gòu)推斷出來,但實(shí)際上金屬表面很復(fù)雜。衍射分析方法已經(jīng)表明, 在許多情況下,表面形成超晶體結(jié)構(gòu)(稱為表面重構(gòu),可使表面自由能達(dá)到最小值。 而 借助 AFM 可以方便地得到某些金屬、半導(dǎo)體的重構(gòu)圖像。例如, Si (111表面的 7*7重 構(gòu)在表面科學(xué)中提出過多種理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù),而采用 AFM 與 STM 相結(jié)合技術(shù)可獲得 硅活性表面 Si (111-

49、7*7的原子級(jí)分辨率圖像。 AFM 已經(jīng)獲得了包括絕緣體和導(dǎo)體在 內(nèi)的許多不同材料的原子級(jí)分辨率圖像。隨著掃描探針顯微鏡 (SPM系列的發(fā)展和技術(shù) 的不斷成熟, 使人類實(shí)現(xiàn)了納秒與數(shù)十納米尺度的過程模擬, 從工程和技術(shù)的角度開始 了微觀摩擦學(xué)研究,提出了分子摩擦學(xué)和納米摩擦學(xué)的新概念。納米摩擦學(xué)是摩擦學(xué)新的分支學(xué)科之一, 它對(duì)納米電子學(xué)、 納米材料學(xué)和納米機(jī)械 學(xué)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用, 而原子力顯微鏡在摩擦學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用又將極大地促 進(jìn)納米摩擦學(xué)的發(fā)展。 原子力顯微鏡不僅可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)尺寸微力的測(cè)量, 而且可以得 到三維形貌、分形結(jié)構(gòu)、橫向力和相界等信息尤其重要的是還可以實(shí)現(xiàn)過程的測(cè)量,

50、 達(dá) 到實(shí)驗(yàn)與測(cè)量的統(tǒng)一,是進(jìn)行納米摩擦學(xué)研究的一種有力手段。近年來,應(yīng)用原子力顯 微鏡研究納米摩擦、納米磨損、納米潤(rùn)滑、納米摩擦化學(xué)反應(yīng)和微型機(jī)電系統(tǒng)的納米表 面工程等方面都取得了一些重要進(jìn)展。 總之, 原子力顯微鏡在納米摩擦學(xué)研究中獲得了 越來越廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)成為進(jìn)行納米摩擦學(xué)研究的重要工具之一。掃描探針顯微鏡 (SPM系列的發(fā)展,使人們實(shí)現(xiàn)了納米及納米尺寸的過程模擬,微 觀摩擦學(xué)的研究在工程和技術(shù)上得到展開, 并提出了納米摩擦學(xué)的概念。 納米摩擦學(xué)將 對(duì)納米材料學(xué)、納米電子學(xué)和納米機(jī)械學(xué)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。而 AFM 在摩擦 學(xué)中的應(yīng)用又將進(jìn)一步促進(jìn)納米摩擦學(xué)的發(fā)展。 AFM 在

51、納米摩擦、納米潤(rùn)滑、納米磨 損、 納米摩擦化學(xué)反應(yīng)和機(jī)電納米表面加工等方面得到應(yīng)用, 它可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)尺寸和 納米級(jí)微弱力的測(cè)量,可以獲得相界、分形結(jié)構(gòu)和橫向力等信息的空間三維圖像。在 AFM 探針上修飾納米 MoO 單晶研究摩擦,發(fā)現(xiàn)了摩擦的各向異性。總之,原子力顯微鏡在納米摩擦學(xué)研究中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用 ,已經(jīng)成為進(jìn)行 納米摩擦學(xué)研究的重要工具之一。許多化學(xué)反應(yīng)是在電極表面進(jìn)行的, 了解這些反應(yīng)過程, 研究反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)問題是 化學(xué)家們長(zhǎng)期研究的題目。吸附物質(zhì)將于表面形成吸附層,吸附層的原子分子結(jié)構(gòu), 分 子間相互作用是研究表面化學(xué)反應(yīng)的前提與基礎(chǔ)。 在超高真空環(huán)境下, 科學(xué)家們使用蒸發(fā)

52、或升華的方法將氣態(tài)分子或原子吸附在基底(一般為金屬或半導(dǎo)體上,再研究其結(jié) 構(gòu)。在溶液中,原子分子將自動(dòng)吸附于電極表面。在電位的控制下,吸附層的結(jié)構(gòu)將有 不同的變化。 此種變化本身與反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過程有關(guān), 由此可以研究不同種類 物質(zhì)的相互作用及反應(yīng)。電化學(xué) STM 在這一領(lǐng)域的研究中已有很好的成果。例如:硫 酸是重要的化工原料,硫酸在活性金屬表面(如銠、鉑等上的吸附一直是表面化學(xué)和 催化化學(xué)中的研究熱點(diǎn)。 盡管有關(guān)硫酸吸附的研究報(bào)告已有很多, 但是其在電極表面的 吸附是否有序, 結(jié)構(gòu)如何, 表面催化變化過程, 硫酸根離子與溶液中水分子的相互作用 , 水分子在硫酸的吸附結(jié)構(gòu)形成中的作用等,

53、長(zhǎng)期沒有明確結(jié)論。利用電化學(xué) STM ,我 們?cè)谌芤褐性谎芯苛诉@一體系的吸附及結(jié)構(gòu)變化過程。研究發(fā)現(xiàn),硫酸根離子在 Rh (111以及 Pt (111等表面與水分子共同吸附,水分子與硫酸根離子通過氫鍵結(jié)合形 成有序結(jié)構(gòu)。 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 我們提出了硫酸根離子與水分子菜吸附的理論并給出了模 型。利用電位控制表面吸附分子是電化學(xué) STM 在化學(xué)研究中的又一成功應(yīng)用范例。利 用此技術(shù), 可以控制表面吸附分子在材料表面的結(jié)構(gòu)及位向等。 例如控制分子與基底平 行的取向變?yōu)榕c基體垂直的取向。這種取向變化完全可逆,且只受電位影響,其行為類 似于原子分子開關(guān)。這一研究為原子分子器件的發(fā)展提供了新的途徑。光電

54、反應(yīng)是涉及到生物、 化學(xué)、 環(huán)境、 電子等眾多學(xué)科的一類常見的重要化學(xué)反應(yīng) , 利用電化學(xué) STM 可以跟蹤監(jiān)視光電化學(xué)反應(yīng)過程, 研究反應(yīng)物分解與轉(zhuǎn)化的微觀機(jī)制, 如分子吸附層結(jié)構(gòu),分子間的相互作用,分子分解,以及生成物的結(jié)構(gòu)等。現(xiàn)已受到眾 多領(lǐng)域?qū)W者的重視?？傊?用 STM 技術(shù)研究表面化學(xué)反應(yīng)已獲得了許多成功,并展現(xiàn)了極具魅力的廣 闊前景。在未來的研究中,肯定會(huì)有更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果問世。3原子力顯微鏡在材料科學(xué)研究方面的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)綜述溶膠凝膠法是 20世紀(jì) 60年代發(fā)展起來的一種制備玻璃、 陶瓷等無機(jī)材料薄膜的 工藝。 其基本原理是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)水解直接形成溶膠或經(jīng)反應(yīng)形成溶膠

55、, 然后 使溶質(zhì)聚合凝膠化,再將凝膠干燥、焙燒除去有機(jī)成分,最后得到無機(jī)材料。溶膠凝 膠法與其他的許多納米微粒的制備方法(如濺射法、水熱法等相比,具有許多的優(yōu)點(diǎn) :化學(xué)均勻性好; 高純度;顆粒細(xì); 操作簡(jiǎn)便。近年來人們已經(jīng)用這種方法制備 出許多不同物質(zhì)的納米微粒物質(zhì)和薄膜。紅外反射隔熱涂料是一種功能性涂料,它不消耗電能,通過涂料中顏填料的粒子將 熱輻射反射到外部空間,從而降低熱輻射下的被覆空間或物體的表面及內(nèi)部溫度。因此 它廣泛應(yīng)用與建筑材料行業(yè), 例如制成各種的減反射或增反射材料, 包括 LOWE 玻璃 , 可以節(jié)約能源的費(fèi)用;而且還可用于節(jié)能電光源、節(jié)能窗、汽車防霜玻璃及太陽電池等 領(lǐng)域。

56、3.2氧化錫紅外反射薄膜制備的基本原理用無機(jī)鹽 SnCl4-5H 2O 和無機(jī)鹽 SbCl 3為前驅(qū)物,加入乙醇溶劑中,制備溶膠,通過摻 Sb 在玻璃上制得 SnO2:Sb的紅外反射薄膜.其水解反應(yīng)如下:Sn(OC2H 5+x H 2O Sn(OHx (OC2H 5n -x +xC 2H 5OH隨著羥基的生成, 進(jìn)一步發(fā)生聚合反應(yīng), 聚合有脫水聚合反應(yīng)和脫醇反應(yīng)聚合反應(yīng) 。水解反應(yīng)和聚合反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行作用,使得錫醇的水溶液轉(zhuǎn)變?yōu)?SnO2的溶膠。通過摻 Sb 可以進(jìn)一步提高溶膠的穩(wěn)定性,制成薄膜以后使得紅外反射性能得到顯著的提高。 其工藝流程如圖 3-1。本實(shí)驗(yàn)將對(duì)溶膠凝膠法制成的紅外反射薄膜進(jìn)行測(cè)試。3.3實(shí)驗(yàn)儀器與樣品原子力顯微鏡:型號(hào):SPA400-SPI3800N 掃描范圍:二維范圍最大值:20×20µm范圍最小值:10×10µm樣品臺(tái)尺寸:F 35mm 表面粗糙度最大值:2µm生產(chǎn)商:日本精工樣品:溶膠凝膠法制得的氧化錫紅外反射薄膜圖3-1溶膠凝膠法制膜工藝流程3.4原子力顯微鏡對(duì)紅外反射薄膜的測(cè)試位于 SPI 3800N 電氣