原子力显微镜在材料成像中的应用

高翔（西北大学，陕西 西安 710127）

1 原子力显微镜成像基本原理

原子力显微镜实际上就是通过原子之间的细微作用力来进行基本成像。原子力显微镜可以合理的把纳米级探针适当的固定在对于力比较敏感的、容易操控的弹性悬臂上。一旦探针靠近材料样品的时候，样品表面原子与探针顶端原子之间逐渐形成范德华力从而导致悬臂出现变形，以至于偏离原来的轨道，并且依据在扫描材料的时候测出的振动频率或者偏移量来构建三维图像，从而得到材料的形状和样貌。依据不同材料和探针之间的不同作用力，原子力显微镜的主要模式有:轻敲模式、接触模式以及非接触模式来合理成像。在材料进行原子力成像的时候，一般使用的都是轻敲模式，主要就是利用探针的间歇性轻敲材料。因为材料与针尖接触时间不是很长，可以很大程度的降低探针的破坏力。与以往的成像技术相比较来说，这种成像方式具有设备简单、能够在空气、真空以及溶液中成像，因此，应用比较广泛。

2 原子力显微镜在材料成像中的应用

2.1 原子力显微镜在探测材料样貌方面的应用

利用原子力显微镜来观测材料的样貌进行成像的时候，材料与探针之间出现相应作用力改变能够很好的反映出材料表面的三维图像。可以通过数值分析出材料表面的高低起伏情况，因此，在利用原子力显微镜对材料进行图像分析的时候，可以有效地发现材料表面的颗粒程度、粗糙程度、孔径分布以及孔的结构等。可以利用这种成像的方式把材料表面的情况形成三维图像进行模拟显示，促使形成的图像更加利于人们观察。

2.2 原子力显微镜在粉体材料中的应用

在对粉体材料进行分析和研究的时候，可以利用原子力显微镜来逐渐分析原子或者分子中尺度，从而保证可以准确观测晶体以及非晶体的位置、形态、缺陷、聚能、空位以及不同力之间的相互作用。一般来说，粉体材料基本上都是使用在工业中的，但是现阶段有关于检测粉体材料的方法还是十分少的，研制样品也相对比较困难。原子力显微镜实际上是一种新兴的检测方式，具有操作方便、制样简单等特点。很多专家学者认为，人们使用化学方式研制出了SnS粉末，利用原子力显微镜把涂在硅基板上的材料进行成像，从图像上我们很容易发现此类材料具有分布均匀的特点，每一个大约15nm。图1为原子力显微镜下的SnS材料的成像图。

图1 原子力显微镜下的SnS材料的成像图

2.3 原子力显微镜在晶体材料中的应用

专家学者经过不断研究和分析得到了很多晶体生长的模型，但是经过更加深入的分析和研究发现这些理论模型和实际情况是否相同还是具有一定差异，也逐渐成为学者讨论和研究的重点，所以人们希望通过显微镜来监测和观察生长过程。虽然，使用传统的显微镜已经观测出一定的成果，但是由于这些光学显微镜、激光全息干涉技术等存在分辨率不是十分高、实验条件不是很好以及放大不足等问题，使得研究过程出现很大困难，导致不能观测纳米级的分子等。原子力显微镜的发展，为科学家们研究纳米级分子或者原子提供了依据，也成为了专业人士研究晶体过程的重要方式。利用这种显微镜具有的能够在溶液中观察以及高分辨率等特点，可以保证科学家们能够很好的观测到晶体生长过程中的纳米级图像，从而不断分析和掌握材料的情况。

3 结语

随着社会的发展以及科技水平的提高，人们必然不会让科学止步不前，原子力显微镜成像技术也会得到更大的发展和进步。原子力显微镜目前作为检测材料方面的重要方式，虽然已经取得了一定成绩，但是还是会存在一定问题，例如，速度慢、范围小等，因此，在未来的原子力应该主要朝着几个方面发展。一是发展速度更加快的原子力显微镜成像技术，增加扑捉原子之间情况的力度；二是，逐渐发展成为成像范围比较大的原子力显微镜，保障能够成像出高分子聚合物；三是，逐渐发展出可以很好的辨别原子种类的原子力显微镜成像技术，以便于可以很好分辨出材料中的分子种类。

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