原子力顯微鏡在材料成像中的應用

高翔（西北大學，陜西 西安 710127）

1 原子力顯微鏡成像基本原理

原子力顯微鏡實際上就是通過原子之間的細微作用力來進行基本成像。原子力顯微鏡可以合理的把納米級探針適當的固定在對于力比較敏感的、容易操控的彈性懸臂上。一旦探針靠近材料樣品的時候，樣品表面原子與探針頂端原子之間逐漸形成范德華力從而導致懸臂出現變形，以至于偏離原來的軌道，并且依據在掃描材料的時候測出的振動頻率或者偏移量來構建三維圖像，從而得到材料的形狀和樣貌。依據不同材料和探針之間的不同作用力，原子力顯微鏡的主要模式有:輕敲模式、接觸模式以及非接觸模式來合理成像。在材料進行原子力成像的時候，一般使用的都是輕敲模式，主要就是利用探針的間歇性輕敲材料。因為材料與針尖接觸時間不是很長，可以很大程度的降低探針的破壞力。與以往的成像技術相比較來說，這種成像方式具有設備簡單、能夠在空氣、真空以及溶液中成像，因此，應用比較廣泛。

2 原子力顯微鏡在材料成像中的應用

2.1 原子力顯微鏡在探測材料樣貌方面的應用

利用原子力顯微鏡來觀測材料的樣貌進行成像的時候，材料與探針之間出現相應作用力改變能夠很好的反映出材料表面的三維圖像?？梢酝ㄟ^數值分析出材料表面的高低起伏情況，因此，在利用原子力顯微鏡對材料進行圖像分析的時候，可以有效地發現材料表面的顆粒程度、粗糙程度、孔徑分布以及孔的結構等?？梢岳眠@種成像的方式把材料表面的情況形成三維圖像進行模擬顯示，促使形成的圖像更加利于人們觀察。

2.2 原子力顯微鏡在粉體材料中的應用

在對粉體材料進行分析和研究的時候，可以利用原子力顯微鏡來逐漸分析原子或者分子中尺度，從而保證可以準確觀測晶體以及非晶體的位置、形態、缺陷、聚能、空位以及不同力之間的相互作用。一般來說，粉體材料基本上都是使用在工業中的，但是現階段有關于檢測粉體材料的方法還是十分少的，研制樣品也相對比較困難。原子力顯微鏡實際上是一種新興的檢測方式，具有操作方便、制樣簡單等特點。很多專家學者認為，人們使用化學方式研制出了SnS粉末，利用原子力顯微鏡把涂在硅基板上的材料進行成像，從圖像上我們很容易發現此類材料具有分布均勻的特點，每一個大約15nm。圖1為原子力顯微鏡下的SnS材料的成像圖。

圖1 原子力顯微鏡下的SnS材料的成像圖

2.3 原子力顯微鏡在晶體材料中的應用

專家學者經過不斷研究和分析得到了很多晶體生長的模型，但是經過更加深入的分析和研究發現這些理論模型和實際情況是否相同還是具有一定差異，也逐漸成為學者討論和研究的重點，所以人們希望通過顯微鏡來監測和觀察生長過程。雖然，使用傳統的顯微鏡已經觀測出一定的成果，但是由于這些光學顯微鏡、激光全息干涉技術等存在分辨率不是十分高、實驗條件不是很好以及放大不足等問題，使得研究過程出現很大困難，導致不能觀測納米級的分子等。原子力顯微鏡的發展，為科學家們研究納米級分子或者原子提供了依據，也成為了專業人士研究晶體過程的重要方式。利用這種顯微鏡具有的能夠在溶液中觀察以及高分辨率等特點，可以保證科學家們能夠很好的觀測到晶體生長過程中的納米級圖像，從而不斷分析和掌握材料的情況。

3 結語

隨著社會的發展以及科技水平的提高，人們必然不會讓科學止步不前，原子力顯微鏡成像技術也會得到更大的發展和進步。原子力顯微鏡目前作為檢測材料方面的重要方式，雖然已經取得了一定成績，但是還是會存在一定問題，例如，速度慢、范圍小等，因此，在未來的原子力應該主要朝著幾個方面發展。一是發展速度更加快的原子力顯微鏡成像技術，增加撲捉原子之間情況的力度；二是，逐漸發展成為成像范圍比較大的原子力顯微鏡，保障能夠成像出高分子聚合物；三是，逐漸發展出可以很好的辨別原子種類的原子力顯微鏡成像技術，以便于可以很好分辨出材料中的分子種類。

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