原子力显微镜概述及其在聚合物研究中的应用.docxVIP

近代高分子物理研究结课论文题目：原子力显微镜概述及其在聚合物研究中的应用学 院 化学化工学院学科门类 理学 专 业 高分子化学与物理学 号 112015316001155 姓 名 钟世龙2017年9月25日原子力显微镜概述及其在聚合物研究中的应用1. 原子力显微镜发展背景简介早在上世纪80年代初期，Binner和Rohrer利用原子间的隧道电流效应发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），显微镜扫描探测技术就开始由此逐步发展。STM的基本原理是基于量子理论中的量子隧道吸引和扫描。STM在当时具有空前高的分辨率，最高横向空间分辨率可达0.1nm，纵向垂直高度分辨率可达到0.01nm，从而将人们带进了微观世界，第一次直观地观测到分子、原子。但是由于STM是依靠隧道电流的原理工作，因此STM只适用于导电材料。为了获取绝缘材料的原子图像，在STM的基础上，Binner和Quate、Gerber在1986年提出短程范德华力相互作用也可以用来形成一种扫描探测显微镜，这种新装置就是原子力显微镜（AFM）。2. AFM的工作原理和操作模式原子力显微镜及其工作原理的图解如图所示。原子力显微镜实际上就是通过原子之间的细微作用力来进行成像。纳米级探针固定在对于力比较敏感的、容易操控的弹性悬臂上（如图1右图所示），激光束则聚焦在该悬臂上，并且从悬臂的背部反射到感光二极管上。当针尖与样品表面靠近时，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的范德华排斥力，在扫描时通过控制该恒定范德华排斥力，微悬臂则处在对应于样品原子间作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动。利用光学检测法，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。图1 原子力显微镜（左）及其工作原理图（右）Figure1 Instrument and Principle diagram of AFMAFM有几种操作模式，他们的主要区别在于针尖与样品之间相互作用方式的不同。因此，不同的操作模式能获得的样品信息有重大的差异，他们适用的应用场合也应有不同。目前现有一下几种基本操作模式：接触模式（contact）、非接触模式（non-contact）、轻敲模式（tapping）和峰值力-定量纳米力学性能测量模式（PeakforceQuantitative Nanomechanics）。各种操作模式在针尖-样品力曲线中所处的范围是不一样的，如图2。从图2中我们可以看到，接触模式是在排斥力区域工作的，非接触模式是在吸引力区域工作的，而轻敲模式则是工作在包含上述两个区域在内的更大范围。图2不同操作模式在力曲线中所处的范围Figure 2 The range of different operating modes in the force curve2.1 接触模式接触模式是通过在扫描过程中始终保持尖端与样品相接触的原理来工作的。如图3，悬臂的偏移是样品与针尖上的作用力的量度。在测量过程中，针尖和样品表面之间的力保持不变。如果样品是由多组分构成的不均匀多相聚合物，每个相的机械性能是不一样的，受到一定作用力时各组分产生的表面形变也是不一样的，导致了不同的高度像衬度。接触模式有一个很大的缺陷，就是扫描过程中很容易造成的样品表面的污染和损伤。图3接触模式针尖在样品表面的扫描路径Figure 3 In contact mode, the tip scanning path on the surface of the sample2.2 非接触模式非接触模式成像是AFM成像中引入的早期技术之一。在非接触模式中，针尖和样品之间的作用力是非常弱的范德华引力。非接触模式控制探针在样品表面上方5-20nm的距离处扫描，并且针尖始终不接触样品表面，使得样品不被污染和损坏。如图4。非接触模式成像具有自身的优点：它不会对样品造成损害；它可以控制针尖完全停留在样品表面吸附层以上或完全浸没在吸附层中进行扫描，因此类似于静电力或虹吸力对作用于样品上的力的影响非常小。然而，由于相对大的针尖-样品的距离，图像分辨率有所降低，并且由于针尖容易被表面吸附层吸引到样品的表面，导致图像不稳定，使得非接触模式操作更困难。事实上，除了特殊需要，非接触模式很少使用。图4非接触模式工作原理示意图Figure 4 Principle diagram of non-contact mode2.3 轻敲模式轻敲模式在材料，特别是高聚物材料表征中应用非常广泛。以轻敲模式工作时，悬臂以其固有共振频率相对样品表面上下振动，同时沿样品表面来回扫描。针尖在悬臂振动时，每一振动周期与样品表面接触一次。如图5。这种模式的优点十分明显：首先