原子力顯微鏡在材料成像中的應(yīng)用

高翔（西北大學(xué)，陜西 西安 710127）

1 原子力顯微鏡成像基本原理

原子力顯微鏡實(shí)際上就是通過原子之間的細(xì)微作用力來進(jìn)行基本成像。原子力顯微鏡可以合理的把納米級(jí)探針適當(dāng)?shù)墓潭ㄔ趯?duì)于力比較敏感的、容易操控的彈性懸臂上。一旦探針靠近材料樣品的時(shí)候，樣品表面原子與探針頂端原子之間逐漸形成范德華力從而導(dǎo)致懸臂出現(xiàn)變形，以至于偏離原來的軌道，并且依據(jù)在掃描材料的時(shí)候測(cè)出的振動(dòng)頻率或者偏移量來構(gòu)建三維圖像，從而得到材料的形狀和樣貌。依據(jù)不同材料和探針之間的不同作用力，原子力顯微鏡的主要模式有:輕敲模式、接觸模式以及非接觸模式來合理成像。在材料進(jìn)行原子力成像的時(shí)候，一般使用的都是輕敲模式，主要就是利用探針的間歇性輕敲材料。因?yàn)椴牧吓c針尖接觸時(shí)間不是很長(zhǎng)，可以很大程度的降低探針的破壞力。與以往的成像技術(shù)相比較來說，這種成像方式具有設(shè)備簡(jiǎn)單、能夠在空氣、真空以及溶液中成像，因此，應(yīng)用比較廣泛。

2 原子力顯微鏡在材料成像中的應(yīng)用

2.1 原子力顯微鏡在探測(cè)材料樣貌方面的應(yīng)用

利用原子力顯微鏡來觀測(cè)材料的樣貌進(jìn)行成像的時(shí)候，材料與探針之間出現(xiàn)相應(yīng)作用力改變能夠很好的反映出材料表面的三維圖像。可以通過數(shù)值分析出材料表面的高低起伏情況，因此，在利用原子力顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行圖像分析的時(shí)候，可以有效地發(fā)現(xiàn)材料表面的顆粒程度、粗糙程度、孔徑分布以及孔的結(jié)構(gòu)等。可以利用這種成像的方式把材料表面的情況形成三維圖像進(jìn)行模擬顯示，促使形成的圖像更加利于人們觀察。

2.2 原子力顯微鏡在粉體材料中的應(yīng)用

在對(duì)粉體材料進(jìn)行分析和研究的時(shí)候，可以利用原子力顯微鏡來逐漸分析原子或者分子中尺度，從而保證可以準(zhǔn)確觀測(cè)晶體以及非晶體的位置、形態(tài)、缺陷、聚能、空位以及不同力之間的相互作用。一般來說，粉體材料基本上都是使用在工業(yè)中的，但是現(xiàn)階段有關(guān)于檢測(cè)粉體材料的方法還是十分少的，研制樣品也相對(duì)比較困難。原子力顯微鏡實(shí)際上是一種新興的檢測(cè)方式，具有操作方便、制樣簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。很多專家學(xué)者認(rèn)為，人們使用化學(xué)方式研制出了SnS粉末，利用原子力顯微鏡把涂在硅基板上的材料進(jìn)行成像，從圖像上我們很容易發(fā)現(xiàn)此類材料具有分布均勻的特點(diǎn)，每一個(gè)大約15nm。圖1為原子力顯微鏡下的SnS材料的成像圖。

圖1 原子力顯微鏡下的SnS材料的成像圖

2.3 原子力顯微鏡在晶體材料中的應(yīng)用

專家學(xué)者經(jīng)過不斷研究和分析得到了很多晶體生長(zhǎng)的模型，但是經(jīng)過更加深入的分析和研究發(fā)現(xiàn)這些理論模型和實(shí)際情況是否相同還是具有一定差異，也逐漸成為學(xué)者討論和研究的重點(diǎn)，所以人們希望通過顯微鏡來監(jiān)測(cè)和觀察生長(zhǎng)過程。雖然，使用傳統(tǒng)的顯微鏡已經(jīng)觀測(cè)出一定的成果，但是由于這些光學(xué)顯微鏡、激光全息干涉技術(shù)等存在分辨率不是十分高、實(shí)驗(yàn)條件不是很好以及放大不足等問題，使得研究過程出現(xiàn)很大困難，導(dǎo)致不能觀測(cè)納米級(jí)的分子等。原子力顯微鏡的發(fā)展，為科學(xué)家們研究納米級(jí)分子或者原子提供了依據(jù)，也成為了專業(yè)人士研究晶體過程的重要方式。利用這種顯微鏡具有的能夠在溶液中觀察以及高分辨率等特點(diǎn)，可以保證科學(xué)家們能夠很好的觀測(cè)到晶體生長(zhǎng)過程中的納米級(jí)圖像，從而不斷分析和掌握材料的情況。

3 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展以及科技水平的提高，人們必然不會(huì)讓科學(xué)止步不前，原子力顯微鏡成像技術(shù)也會(huì)得到更大的發(fā)展和進(jìn)步。原子力顯微鏡目前作為檢測(cè)材料方面的重要方式，雖然已經(jīng)取得了一定成績(jī)，但是還是會(huì)存在一定問題，例如，速度慢、范圍小等，因此，在未來的原子力應(yīng)該主要朝著幾個(gè)方面發(fā)展。一是發(fā)展速度更加快的原子力顯微鏡成像技術(shù)，增加撲捉原子之間情況的力度；二是，逐漸發(fā)展成為成像范圍比較大的原子力顯微鏡，保障能夠成像出高分子聚合物；三是，逐漸發(fā)展出可以很好的辨別原子種類的原子力顯微鏡成像技術(shù)，以便于可以很好分辨出材料中的分子種類。

[1]賈寧.面向原子力顯微鏡應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南開大學(xué),2011.

[2]楊春來.超聲振動(dòng)原子力顯微鏡成像研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[3]朱磊,馮強(qiáng),王征等.原子力顯微鏡在生物材料中的應(yīng)用[J].科技信息（學(xué)術(shù)版）,2011(5).

[4]張玉東.原子力顯微鏡自動(dòng)控制算法研究[D].南開大學(xué),2011.