原子力显微镜在材料科学研究中的应用

       AFM 是利用样品表面与探针之间力的相互作用这一物理现象，因此不受STM 等要求样品表面能够导电的限制，可对导体进行探测，对于不具有导电性的组织、生物材料和有机材料等绝缘体，AFM 同样可得到高分辨率的表面形貌图像，从而使它更具有适应性，更具有广阔的应用空间。AFM 可以在真空、超高真空、气体、溶液、电化学环境、常温和低温等环境下工作，可供研究时选择适当的环境，其基底可以是云母、硅、高取向热解石墨、玻璃等。AFM 已被广泛地应用于表面分析的各个领域，通过对表面形貌的分析、归纳、总结，以获得更深层次的信息。

3.1 在材料科学方面中的应用

3.1.1 三维形貌观测

      通过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是AFM 最基本的功能。AFM 在水平方向具有0.1-0.2nm 的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01nm。尽管AFM 和扫描电子显微镜（SEM）的横向分辨率是相似的，但AFM 和SEM 两种技术的最基本的区别在于处理试样深度变化时有不同的表征。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，AFM 对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。图3-1 就是接触式下得到的二氧化硅增透薄膜原子力图像，同时还可以逼真的看到其表面的三维形貌。

     在半导体加工过程中通常需要测量高纵比结构，像沟槽和孔洞，以确定刻蚀的深度和宽度。这些在SEM 下只有将样品沿截面切开才能测量。AFM 可以无损的进行测量后即返回生产线。图2-2 为光栅的AFM 图像，扫描范围为4×4μm。根据图3-2 的结果,通过profile 功能就可以定量测量刻槽的深度及宽度。

3.1.2 纳米材料与粉体材料的分析

      在材料科学中，无论无机材料或有机材料，在研究中都有要研究文献，材料是晶态还是非晶态。分子或原子的存在状态中间化物及各种相的变化，以便找出结构与性质之间的规律。在这些研究中AFM 可以使研究者，从分子或原子水平直接观察晶体或非晶体的形貌、缺陷、空位能、聚集能及各种力的相互作用。这些对掌握结构与性能之间的关系有非常重要的作用。当今纳米材料是材料领域关注的课题，而AFM 对纳米材料微观的研究中，也是分析测视工具。纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进步，将需要更新的测试技术和表征手段，以评价纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚状况。原子力显微镜的横向分辨率为0.1～0.2nm，纵向为0.01nm，能够有效的表征纳米材料。纳米科学和技术是在纳米尺度上（ 0.1～100nm）研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的一个新兴科学。其最终目标是直接以物质在纳米尺度上表现出来的特性，制造具有特定功能的产品，实现生产力方式的飞跃。纳米科学包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等多个研究领域。纳米科学的不断成长和发展是与以扫描探针显微术（SPM）为代表的多种纳米尺度的研究手段的产生和发展密不可分的。可说，SPM 的相继问世对纳米科技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展又为SPM 的应用提供了广阔的天地。SPM是一个包括扫描隧道显微术（STM）、原子力显微术（AFM）等在内的多种显微技术的大家族。SPM 不仅能够以纳米级甚至是原子级空间分辨率在真空、大气或液体中来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性，而且具有广泛的应用性，如刻划纳米级微细线条、甚至实现原子和分子的操纵。这一集观察、分析及操作原子分子等功能于一体的技术已成为纳米科学研究中的主要工具。

     在粉体材料的研究中，粉体材料大量的存在于自然界和工业生产中，但目前对粉体材料的检测方法比较少，制样也比较困难。AFM 提供了一种新的检测手段。它的制样简单，容易操作。以微波加热法合成的低水合硼酸锌粉体为例。我们可以将其在酒精溶液中用超声波进行分散，然后置于新鲜的云母片上进行测试。其原子力显微图如图3-3所示。粒径约为20nm 左右。

3.1.3 成分分析

     在电子显微镜中，用于成分分析的信号是X－射线和背散射电子。X－射线是通过SEM 系统中的能谱仪（EDS）和波谱仪（WDS）来提供元素分析的。在SEM 中利用背散射电子所呈的背散射像又称为成分像。而在AFM 中不能进行元素分析，但它在PhaseIma ge 模式下可以根据材料的某些物理性能的不同来提供成分的信息。图3-4 是利用tapping 模式下得到的原子力显微镜相位图像，它可以研究橡胶中填充SiO2 颗粒的微分布,并可以对SiO2 颗粒的微分布进行了统计分析。