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原子力显微镜在表面观测和实验的用途

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发表于 2022-3-29 10:57:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
原子力显微镜是SPM家族中最具有广泛应用的表面观察和研究工具之一。不仅可以从原子尺度成像导体和半导体表面,还可以获得玻璃、陶瓷等非导电材料的表面结构,并可以在真空、大气和水中直接观察物体。因此,虽然原子力显微镜的出现时间很短,但其应用理论和技术发展迅速,在材料科学、生命科学和表面科学方面具有广阔的发展前景。



表面观测:
伴随纳米科技的兴起和发展,传统型显微镜因为其自身的局限性,逐渐不能胜任微观领域的外表观察和研究。对于扫描隧道显微镜工作原理的原子力显微镜显然在促进材料的微观外表观察方面发挥了根本作用。

原子力显微镜是对于原子之间相互作用力的检测,不受到样品导电性的影响,其研究对象几乎不受任何限制,因此使用原子力显微镜可以更好地实时观察被测表面的三维图像。当探针接近样品表面的最小纳米时,微探头的原子与样品表面的原子之间会产生相互作用的原子力。

原子力的大小和间距之间存在一定的曲线关系。在间距较大的初始阶段,原子力表现为引力。伴随间距的进一步缩小,因为价格电子云的重叠和两个原子核的电荷阅读相互作用,原子力表现为斥力,伴随间距的缩短,排斥力急剧增加。因此,通过检测原子力与间距之间的关系曲线,原子力显微镜可以获得样品表面真实而丰富的微观图像。

纳米压痕试验:
纳米压痕又称深度敏感压痕技术,是近年来发展起来的一项新技术。它可以直接获得薄膜材料的许多机械性能,如弹性模量、硬度等,而无需分离薄膜和基础材料。

材料硬度的测试原理起源于1881年Hertz的压痕测定方法,但该测定方法受到负载大小与压痕边缘质量之间矛盾的限制,对薄膜材料的检测非常不准确。1992年,Oliver和Pharr提出了一种新的方法来测试和分析材料的机械力学性质,特别是薄膜材料的显微硬度。采用Oliver-Pharr方法,只要微小压痕的深度达到几个纳米,就可以从压痕的数据中计算出材料的显微硬度。这避免了传统型检测硬度技术的缺点,如压痕边缘破裂、衬底影响等,使测量薄膜厚度小的薄膜材料的显微镜硬度成为可能。此外,这种新方法还可以根据压痕过程的加载和卸载曲线来研究材料的弹性模量。

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