原子力显微镜用于微尺度材料力学性能表征的研究进展

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1、丁燕怀12,蒋旭1,任虎鸣L2,尹久仁1・2,姜勇L2,邓旭辉L2,张平1・21湘澧大学土木工程与力学学院，湘潭4111052湘潭大学流变学研究所，湘潭411105）摘要原子力显微镜RFM）是纳米科学研究的有力工具"从AFM的原理出发，分析了探针与样品之间作用力的计算过程，介绍了确定悬臂弹性常数的几种方法，并综述了AFM在生物材料、薄膜材料、纳米结构、单分子操作和纳米力学实验中的研究进展。尖键词原子力显微镜微尺度材料力学性能探针悬臂弹性窜数中图分类号TB301文献标识码：AResearchProgressonApplicati

2、onsofAtomicForceMicroscopyinMicro-andNano-mechanicsDINGYanhuai12.JIANGXu】，RENHumingL2>YINJiuren12.JIANGYong1,2.DENGXuhui1'2,ZHANGPing12[CollegeofCivilEngineeringandMechanics，XiangtanUniversity.Xiangtan411105；2InstituteofRheologyMechanics.XiangtanUniversity.Xiangtan4

3、11105)AbstractAtomicforcemicroscopy代FM)isapowerfultoolforlianoscienceresearch•BasedontheprincipleofAFM・calculationprocessoftheforcebetweenprobeandsampleisanalysed,somemethodsfordeterminingthespringconstantofcantileversareintroduced-Furthermore,arexdewonrecentdevelop

4、mentsofapplicationofAFMisgvenforlianoscalematerials,biomechanicsandelectronicdevice•KeywordsAFM.liano-andmicro-scalematerials,mecl^niicalproperty・probe,cantileverspringconstant0引言1981年IBM公司苏黎世实验室的G-Binning和H-Rohrer发明了世界上第一台扫描隧道显微镜Scanningtun-neliiigmicroscope，STM）12

5、1STM能够直接观测表面原子排列及其相尖的电子态信息，在材料表面物理与化学、生命科学和微电子技术研究中有着广阔的应用前景。STM的基本原理是量子力学隧道效应。用一个尖端只有一个或者几个原子的金属探针去接近样品表面，当针尖和样品表面的距离小于lnm时，针尖原子和样品表面原子的电子云发生重叠，此时在针尖和样品之间施加微小的电压就能获得隧道电流。保持针尖与样品表面距离恒定恒高模式）或者是电流恒定姮流模式），并使针尖沿表面进行扫描，就能得到样品的形态信息“但是STM要求样品具有一定的导电性，很大程度上限制了STM的应用。很快’原子力显

6、微镜Atomicforcemicro：copy.AFM）应运而生，成为继STM后的又一重要发明，它利用探针和样品之间的弱相互作用作为检测信号，避免了STM对样品导电性的要求.在纳米科学的发展中发挥了重要的推动作用Z。如图1所示.APKJ主尋中探軒、衞悬管偏错檢测菇曹、压电扫描管、反馈回路、控制器和图像处理设备组成。其基本原理是通过检测样品表面与探针之间的相互作用力，从帀确定样品表面的形态学和物理性质。AFM的纵向分辨率辽到了亚纳米量级，而横向分辨率由探针的尺寸决定，需要宅虑针尖效应―叭AFM可以在液态、真空和环境扫描条件下工作

7、，同时还能提供热、电、磁等多种辅助功能以供选择。图1AFM的组成示意图Fig.1TheschematicdiagramofAFME-mail：yhcling@yahoo-cn*国家自然科学基金竝002128）丁燕怀：男，1980年生，博士•讲师，主要研究方向为纳米材料力学行为图3典型的AFM力曲线Fig.3TypicalforcecurveofAFM1基本原理AFM的检测信号来源于探针和样品之间的相互作用。探针与样品相互靠近的过程中既有长程力又有短程力的作甩包括静电力、磁力、摩擦力、毛细力、范德华力和库仑力等,，在空气中进行扫

8、描时.探针逐渐靠近样品时首先感受到笊是空气阻力，然后是近表面的电磁力；距离进一步减小时则是样品表面液膜导致的毛细力起主要作用；当距离减小到纳米尺度时，主要是范德华力吸引力)和库仑力排斥力)的作用“由于AFM在工作过程中探针与样品表面的距离处于纳米尺度，因此对检测成像起主要作用