让微观变得直观——岛津原子力显微镜

2021-11-19

  对极限微观的不断探索源于人们原始的求知欲。国际度量衡制度的确立为我们指引了探索的方向。从米到毫米,从毫米到微米,从微米到纳米。当物质被我们不断地“劈碎”。越来越多新性质,新现象,新功能被发现。人们对自然的认识越来越深刻,对物质的操纵也越来越得心应手。

  从二十世纪末开始,人类对微观的探索延伸到了纳米领域。在这个从仅比原子高一个层级的尺度范围内,物质展现了一种和宏观截然不同的状态和性质。表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应带来的是超高强度、超高导电性、超流动性、超高催化活性等等无与伦比的属性。

  碳纳米管作为第一种人工合成的纳米材料,甫一问世,其超高强度就惊艳世人。它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是铁的10倍。

单壁碳纳米管高度(直径)测量

  在碳纳米管被研制出来以后,双壁碳纳米管、掺杂碳纳米管、复合碳纳米管等多种材料被源源不断制作出来。极小的尺度和样品多样性,迫切需要一种合适的检测工具。

  在纳米尺度下,光学显微镜的分辨率早已鞭长莫及,电子显微镜则因为严格复杂的制样过程使测试门槛令人高不可攀,激光粒度仪对长径比过大的样品测试误差极大也不适合。这时,较合适的观测工具就是原子力显微镜。

  原子力显微镜作为专门的纳米材料表征工具,天然具有高分辨率、高环境兼容性、多属性分析种种优势。

原子力显微镜观察的不同碳纳米管形态

  在生产中,因工艺不同,会产生长短粗细不同的碳纤维。如何有效对这些样品进行归类分析是个大问题。

不同工艺下碳纳米管分散状态

  借助岛津原子力显微镜配备的颗粒分析软件,则可以自动分析筛选,并对纤维的各种尺度进行统计分析。

极长和极短碳纳米管的自动分类统计

  同样,对于常见到的纳米材料——纳米颗粒而言,也可以依靠该软件进行统计分析。

纳米颗粒的粒径统计

  而且,利用原子力显微镜,还可以有效观察同样粒径下颗粒的不同形貌。例如以下两个颗粒,粒径均在100nm左右,如果用激光粒度仪测试,会被归为一类。但是用原子力显微观察,则可以发现很大的不同。

粒径近似的纳米颗粒聚集形态

  左侧的颗粒是单个粒子,二右侧的则是多个颗粒聚集形成的,在原子力显微镜的小范围观察图像中可以清晰分辨二者的不同。

  但是,通常的原子力显微镜很难兼顾大视野和高分辨。要想同时观察统计大量颗粒,就需要用大范围观察,这样一来每个颗粒的细节分辨就难以看清。如果聚焦到一个颗粒上细致观察,则无法从整体上评估样品。

  解决的办法就是提高原子力显微镜图像的分辨率。岛津推出了8192*8192点阵的高扫描能力。可以在大范围观察的同时又看清每一个小细节。

兼顾大视野和小细节的超大点阵扫描图像

  原子力显微镜作为人类眼睛的延伸,像一个精细的触手,细致地捕获纳米材料的形貌、机械性能、电磁学性能等等属性,使这个微乎其微的领域直观地展现在我们眼前,为我们更深更广地认识纳米材料提供了有力帮助。

文中相关仪器介绍详见以下链接:
https://www.shimadzu.com.cn/an/surface/spm/index.html

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