AFM在电化学领域中的应用

1AFM在电化学领域中的应用目录一、原子力显微镜简介................................................11.1原子力显微镜的基本原理.........................................................................................21.1.1力检测部分.............................................21.1.2位置检测部分...........................................21.1.3反馈系统...............................................21.2原子力显微镜工作模式............................................................................................31.2.1接触扫描成像模式.......................................31.2.2非接触扫描成像模式.....................................31.2.3轻敲扫描成像模式.......................................41.3原子力显微镜主要特点............................................................................................4二、原子力显微镜的历史和现状........................................52.1电化学原子力显微镜................................................................................................52.2生物型原子力显微镜................................................................................................52.3液相型原子力显微镜................................................................................................5三、原子力显微镜在电化学领域中的应用................................63.1EC-AFM在纳米加工中的应用..................................................................................63.2EC-AFM在电镀、腐蚀与防腐中的应用...............................................................63.3EC-AFM观察电化学沉积膜的形成和性质...........................................................7四、原子力显微镜在电化学领域中应用展望..............................7五、参考文献........................................................8一、原子力显微镜简介2AFM（原子力显微镜）是一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。1.1原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，大致分成三个部分：力检测部分、位置检测部分和反馈系统。1.1.1力检测部分在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂来检测原子与原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100-500μm长和大约500nm-5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。1.1.2位置检测部分在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。1.1.3反馈系统在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。3通过对原子力显微镜的各个部分的介绍，下面通过对原子力显微镜的工作原理的介绍来了解原子力显微镜：AFM是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖和样品相互作用就会引起微悬臂的形变。通过检测微悬臂产生的弹性形变量∆Z,就可以根据微悬臂的弹性系数K和函数式F=k·ΔZ直接求出样品和针尖间相互作用F。AFM利用照射在悬臂尖端的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10nm左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值。当样品在XY平面内扫描时(对某一点其坐标为[x,y])，若保持样品在Z轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖和样品相互作用与间距的关系得到样品表面的高度变化信息Δh(x,y)，即样品表面任意点(x,y)相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌A=A(x,y,Δh(x,y))[1]。1.2原子力显微镜工作模式AFM在检测试件表面微观形貌时，通常采用三种不同的扫描成像模式：接触扫描成像模式，非接触式扫描成像模式和轻敲扫描成像模式。1.2.1接触扫描成像模式从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10-10～10-6N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。1.2.2非接触扫描成像模式非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5~10nm的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10~12N，样4品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一个小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。1.2.3轻敲扫描成像模式敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时，AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。1.3原子力显微镜主要特点作为一种新兴的超微结构成像技术，AFM实现了对接近自然生理条件下生物样品的观察，在功能方面的优势明显强于扫描电子显微镜和透射电子显微镜。主要由于它又以下几个独特的优点。（1）AFM技术的样品制备简单，甚至无需处理，对样品破坏性较其他生物学技术要小得多（2）AFM在操作时样品无须导电、无须低温真空等条件。（3）AFM能在多种环境中运作，生物分子可在其生理条件下直接成像，还能对活细胞进行实时动态观察。（4）AFM能提供生物分子和生物表面分子/亚分子高分辨率的三围图像。（5）AFM也能以纳米尺度的分辨率观察局部的电荷密度和物理特性，测量生物大分子间的相互作用力。（6）AFM能对单个生物分子进行操纵，如可搬动原子、切割染色体、在细胞膜上打孔等。（7）现场操作性好，载体选择更简单。5（8）由AFM获得的信息还能与其他的分析技术和显微镜技术互补。二、原子力显微镜的历史和现状第一台新型的表面分析仪器---扫描隧道探针显微镜，于1982年问世。由于扫描隧道探针显微镜要求样品表面能够导电,从而使得扫描隧道探针显微镜只能直接观察导体和半导体的表面结构，对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜,但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且导电薄膜会掩盖样品表面的许多细节，因而使得扫描隧道探针显微镜的应用受到限制[2]。为了克服扫描隧道探针显微镜的不足,Binnning，Quate和Gerber在1986年研制出了原子力显微镜(简称AFM)。随着科技的发展，原子力显微镜的应用范围越来越广，形成了不同类型的原子力显微镜。例如，电化学原子力显微镜、生物型原子力显微镜、液相型原子力显微镜等[3]。.随着科技的不断需求，对原子力显微镜的需求越来越大，然而也有报道原子力显微镜在有机化学中的应用。2.1电化学原子力显微镜电化学原子力显微镜将电化学分析技术与原子力显微镜结合起来，能对生物传感器，新型电池和电腐蚀进行原位电化学扫描探针显微测量分析。经过实验测试，发现电化学原子力显微镜可有效地在实际中运用，并可进一步开发与深入研究[4]。2.2生物型原子力显微镜原子力显微镜在生物纳米研究领域有广泛应用，包括对生物样品的形貌成像、超微结构、机械性能和相互作用等方面的研究。利用其非修饰和修饰探针进行样品扫描，可以得到样品表面形貌和样品表面某一特定点的力与距离的关系曲线，从而得到相关生物分子的力学性质。目前国际上应用原子力显微镜对生物分子力学特性方面的研究已经成为最热门的研究课题之一，在生物医学和临床医学方面有重要研究意义[5]。2.3液相型原子力显微镜6市场上目前所研制的液相型AFM结构简洁合理,操作简单,软件具有良好的界面和完善的功能。扫描获得的图像的分辨率、重复性和对比度等均已达到了纳米测量的要求[6]。三、原子力显微镜在电化学领域中的应用原子力显微镜有着广泛的应用。在1991年，电化学原子力显微镜(EC-AFM)问世，它将原子力显微镜技术扩展到电化学领域。电化学原子力显微镜(EC-AFM)是将接触式的原子力显微镜用于电解质溶液研究电极的表面形貌，其力的作用原理与大气中的AFM相同。3.1EC-AFM在纳米加工中的应用纳米技术随着科技的快速发展，应用范围越来越广。根据目前的一些报道，电化学原子力显微镜已经应用到了纳米技术方面。Li开发出一种新的E-DPN技术，可用于直接制造金属和半导体的特性纳米尺寸。这种新技术能显著扩大其应用范围，其中DPN纳米加工技术能够被应用。这样一个简单但功能强大的技术将使我们制造纳米电子器件有着用其他方法所制的纳米器件无可比拟的优点，制成的纳米结构存在特定的CVD生长。对于这种反应的唯一要求是，在反应产物是不溶于该传输介质。大量适合的反应会使AFMDPN纳米加工这样一个非常强大的工具用于制造独特的纳米器件以及化学修改通过更传统的纳米加工制作设备技