AFM测试的影响因素一e测试

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AFM测试的影响因素

2022-08-11 16:55:30 0 3192

AFM的工作模式有接触模式、轻敲模式等。

在轻敲模式中，AFM依赖激光位移传感器检测探针悬臂的振动参数，以实现微／纳尺度下的扫描成像、力学测量等功能。当探针悬臂振幅较小时，针尖和样品之间的振动很难别忽略，因此就会造成测试的误差，以及AFM图像的失真。所以研究针尖-样品间的的相互作用，对提高AFM的检测精度和开发个别更多应用潜力都是很有帮助的。在探针的振动过程中，外部激励和针尖-样品相互作用力的改变将导致振动状态的变化。由于探针悬臂的受力、振幅和相位可反映探针受到的吸引力、排斥力以及探针振动的滞后性和能量耗散。在邓亮等人的研究中测量带有不同电压的AFM探针匀速远离样品表面时悬臂的受力、振幅和相位随探针位移的变化，从这三者的角度分析探针的振动特性，探究电压对针尖-样品相互作用力的影响。发现探针电压的增大和样品导电性的降低在非接触阶段，增强的针尖-样品相互作用力给探针悬臂振动带来更多的能量耗散，阻碍其振动，造成悬臂振幅和相位随探针位移的增大变化得更加迟缓。是由于探针与样品间静电力的增大，致使针尖-样品相互作用力增强。

图1.样品表面形貌

图2. 不同电压下探针受力、振幅、相位随位移的变化（探针匀速远离硅样品）

图3. 不同电压下悬臂受力、振幅及相位随探针位移的变化（探针匀速远离玻璃和银样品）

原子力显微镜的纳米力学表征方法

主要包括压痕法和双模纳米力学法

单齐冀等人基于原子力显微镜的压痕法和双模纳米力学法，探究薄膜／基底材料与多层二维材料杨氏模量测定过程中的影响因素，分析了基底硬度、二维材料厚度以及环境湿度对两种纳米力学表征结果的影响。

不同力学模式下基底对模量表征的影响，实验中发现压痕深度未超过薄膜厚度的 10％时，模量的测试结果仍然受到了基底的影响。发现双模力学模式（ＡＭ-ＦＭ）下，软基底会一定程度的弱化薄膜的模量，而硬基底几乎不对薄膜模量的测定产生影响，更为准确。压痕法的模量测试结果受到基底硬度和样品内部结构的影响较大，软基底会弱化薄膜。

图4. PeakForce QNM 法测试薄膜在PMDS基底和Si片基底上的模量图和测量值折线图。Bar=400nma.c. PDMS基底；d-f．Si基底；g.模量测量值折线图。

图5. AM-FM法测试薄膜在 PDMS基底和 Si片基底上的模量图和测量值折线图。Bar＝400ｎｍａ-ｃ．PDMS基底；d-f．Si基底；g.模量测量值折线图。

不同力学表征模式下湿度对模量的影响，基于原子力显微镜的纳米力学表征过程中，会受到微观毛细力作用的影响。在潮湿的环境中，探针针尖上的冷凝作用会导致悬臂梁上产生向下的毛细作用力。双模纳米力学法基于轻敲模式受到样品表面毛细力的作用较为显著，在引力区向斥力区之间的转换受到抑制，影响模量测试的稳定性。压痕模式基于压痕原理，探针容易进入斥力区，因此受到毛细力的影响较小，测试结果不随环境湿度的变化而波动。

图6. a-c.PeakForceＱＮＭ法测试薄膜在不同湿度下的模量图；d-f.ＡＭ-ＦＭ法测试薄膜在不同湿度下的模量图；g. 两种方法模量测试值的折线图。Bar＝400 nm

参考文献：

[1]单齐冀,韩瑶,张莹,李慧琴.基于原子力显微镜的压痕模式和双模纳米力学模式在模量表征中的影响因素[J].电子显微学报,2022,41(02):154-160.

[2]邓亮,吴磊,陈鹏,余丙军.电压对原子力显微镜探针振动的影响[J].中国科技论文,2022,17(06):681-685+690.

[3]刘金超,崔洁.原子力显微镜的工作原理及其在电化学原位测试中的应用[J].材料导报,2022,36(14):195-205.

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