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島津原子力顯微鏡——表面之上（一）
原子力顯微鏡是一種典型的表面分析工具。利用探針和表面的作用力，獲取表面形貌、機(jī)械性能、電磁學(xué)性能等信息。但是，表面的狀態(tài)往往是反應(yīng)過(guò)程的最終表現(xiàn)，想要了解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，只是著眼于“表面”明顯就不夠了。此外，對(duì)表面狀態(tài)的誘發(fā)因素，也很難從表面的信息中獲得。所以，表面的是最容易觀察到的，但要究其根本，知其所以然，我們的視線要向“上”看，研究“界面”處的信息。表面之上，讓表面不再膚淺。
以原子力顯微鏡最基本的“力-距離”曲線為例。如下圖所示，探針逐漸靠近樣品表面直至接觸，施加一定的作用力后再緩慢提起。
在這個(gè)過(guò)程中，探針感受到的力和探針與樣品表面間的距離標(biāo)化曲線如下圖。在逐步接近樣品時(shí)，探針會(huì)受到一個(gè)吸引力，表現(xiàn)為曲線向負(fù)值方向有一個(gè)凹陷；然后逐步施加力至正值，停止；然后后撤探針，在脫離表面前會(huì)受到一個(gè)粘附力，形成第二個(gè)負(fù)值方向的凹陷。
比較探針壓入和提出的過(guò)程，探針的受力有一個(gè)明顯的變化就是在提出過(guò)程中增加了探針表面與樣品表面的粘附力作用。同時(shí)還要考慮樣品表面的應(yīng)力形變恢復(fù)帶來(lái)的應(yīng)力與吸附力作用距離延長(zhǎng)。因此，從“力-距離”曲線中，我們可以獲得壓入-提出過(guò)程中，探針與樣品保持接觸階段作用力的變化，由此分析得到楊氏模量；除此之外，在探針與樣品表面脫離接觸后，其范德華引力與粘彈性力在“界面層”仍然處于變化之中。分析這個(gè)階段的粘附力力值和作用距離等數(shù)據(jù)，可以獲得彈性形變恢復(fù)、粘性樣品拉伸長(zhǎng)度等信息。
以上是針對(duì)一個(gè)點(diǎn)的分析，如果對(duì)一個(gè)面的每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)都作如此分析，也就是通常所做的面力譜分析。如下圖所示。
一般而言，面力譜分析獲得的是各類機(jī)械性能的面分布情況。如下圖所示。
但是，如果每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，我們都做如上的分析，還可以得到在垂直方向上，在探針針尖已經(jīng)脫離了和樣品表面的接觸后的受力狀態(tài)。從而獲得了從表面向上一段距離內(nèi)的力變化曲線。這樣的數(shù)據(jù)用一個(gè)三維的圖像表現(xiàn)出來(lái)呢，會(huì)給人更直觀的認(rèn)識(shí)。如下圖所示。
通過(guò)顏色變化表征垂直分布的力值變化，可以直觀看到樣品表面在受到壓力后壓縮和恢復(fù)程度，以及粘彈力的持續(xù)距離。前者可以反映樣品的力學(xué)特征，后者可以反映表面化學(xué)成分，這個(gè)特征尤其在電化學(xué)和膠體科學(xué)領(lǐng)域非常重要。
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