原子力显微镜与扫描力显微术摩擦力
摩擦力显微镜（LFM）是在原子力显微镜（AFM）表面形貌成像基础上发展的新技术之一。材料表面中的不同组分很难在形貌图像中区分开来，而且污染物也有可能覆盖样品的真实表面。LFM恰好可以研究那些形貌上相对较难区分、而又具有相对不同摩擦特性的多组分材料表面。
图1 摩擦力显微镜扫描及力检测示意图
图1示出了LFM扫描及检测的示意图。一般接触模式原子力显微镜（AFM）中，探针在样品表面以X、Y光栅模式扫描（或样品在探针下扫描）。聚焦在微悬臂上的激光反射到光电检测器，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A+B）-（C+D）得到的。反馈回路通过调整微悬臂高度来保持样品上作用力恒定，也就是微悬臂形变量恒定，从而得到样品表面上的三维形貌图像。而在横向摩擦力技术中，探针在垂直于其长度方向扫描。检测器根据激光束在四个象限中，（A+C）-（B+D）这个强度差值来检测微悬臂的扭转弯曲程度。而微悬臂的扭转弯曲程度随表面摩擦特性变化而增减（增加摩擦力导致更大的扭转）。激光检测器的四个象限可以实时分别测量并记录形貌和横向力数据。
LFM是检测表面不同组成变化的SFM技术。它可以识别聚合混合物、复合物和其他混合物的不同组分间转变，鉴别表面有机或其他污染物以及研究表面修饰层和其他表面层覆盖程度。它在半导体、高聚物沉积膜、数据贮存器以及对表面污染、化学组成的应用观察研究是非常重要的。LFM之所以能对材料表面的不同组分进行区分和确定，是因为表面性质不同的材料或组分在LFM图像中会给出不同的反差。例如，对碳氢羧酸和部分氟代羧酸的混合LB膜体系，LFM能够有效区分开C-H和C-F相。这些相分离膜上，H-C相、F-C相及硅基底间的相对摩擦性能比是1：4：10。说明碳氢羧酸可以有效提供低摩擦性，而部分氟代羧酸则是很好的抗阻剂。
不仅如此，LFM也已经成为研究纳米尺度摩擦学-润滑剂和光滑表面摩擦及研磨性质的重要工具。为研究原子尺度上的摩擦机理，Mate等和Ruan、Bhushan对新鲜解离的石墨（HOPG）进行了表征。HOPG原子尺度摩擦力显示出高定向裂解处与对应形貌图像具有相同周期性（图5.2a），然而摩擦和形貌图像中的峰值位置彼此之间 发生了相对移动（图5.2b）。利用原子间势能的傅里叶公式对摩擦力针尖和石墨表面原子间平衡力的计算结果表明，垂直和横向方向的原子间力最大值并不在同一位置，这就是观察到横向力和对应形貌图像中峰谷移动的原因。同时，所观察到的摩擦力变化是由样品与LFM针尖间内在横向力变化引起的，而不一定是原子尺度粘附-滑移过程造成的。对HOPG在微米尺度上进行研究也观察到摩擦力变化，它们是由于解离过程中结构发生变化引起的。解离的石墨表面虽然原子级平坦，但也存在线形区域，该区域摩擦系数要高近一个数量级。TEM结果显示这些线形区域包括有不同取向和无定形碳的石墨面。
另一关于原子尺度表面摩擦力特征研究的重要实例是云母表面。利用LFM系统研究了氮化硅针尖与云母表面间的摩擦行为，考察了摩擦力与应力、针尖几何形状、云母表面晶格取向和湿度等因素之间的对应关系。云母表面微观摩擦系数与扫描方向、扫描速度、样品面积、针尖半径、针尖具体结构以及高于70%的湿度变化无关。然而，针尖大小和结构以及湿度又会影响云母样品表面摩擦力的绝对值大小。此外，应力较低时，摩擦力与应力之间有非线性关系，这是由于弹性形变引起了接触面积变化。利用LFM对边界润滑效应的研究已有报道。LB膜技术沉积的花生酸镉单层与硅基底相比，摩擦力显著下降了1/10，而且很容易观察到膜上的缺陷。具有双层膜高度的小岛被整片移走。如果设定岛的大小为针尖与之真实接触面积A，已知移动岛的横向力为FL，则能够确定出膜的剪切强度τ=FL/A。
-
焦点事件
-
技术原理
-
科技前沿
-
技术原理
-
项目成果
-
焦点事件
-
焦点事件
-
焦点事件
-
焦点事件
