高速原子力显微术研究进展

自1986年发明原子力显微镜以来,它已成为材料、生物以及纳米科技等许多领域的重要工具。由于常规原子力显微镜成像速度缓慢,在动态过程观测、工业生产线原位测量以及高密度信息存储等领域的应用受到限制,因此发展高速原子力显微术近年来已引起国内外的高度关注。本文综述了高速原子力显微术关键技术(包括:微小探针、高速扫描器设计和控制方法)以及应用等方面的最近进展。     

金纳米粒子有序膜结构的原子力显微研究

通过控制所滴加的金纳米粒子氯仿溶胶的浓度,在高序定向裂解石墨（HOPG）上,可以形成二维乃至三维有序的金纳米粒子膜结构,本文主要利用原子力显微镜中的轻敲原子力（TM－AFM）显微模式,采用形貌与相位同时成像技术以及透射电镜技术,对所形成的有序膜结构进行了系统的表征,并着重阐述了相应成像在表征膜结构方面的重要作用。     

基于隧道电流检测方式的原子力显微镜纳米检测系统设计

原子力显微镜（AFM）是当前进行材料表面微观形貌观察及分析的强有力工具之一。本文主要介绍一种隧道显微镜（STM）检测方式的原子力显微镜纳米检测系统（AFM.IPC-208B）,该AFM系统设计是在STM.IPC-205B系统设计的基础上,采用隧道电流工作方式,将STM与AFM功能组合兼容。文章详细阐述了AFM.IPC-208B系统的设计原理、镜体、扫描控制以及数据采集。新设计的AFM.IPC-208B系统仍具有0.1nm的分辨率,检测范围为0～2mm×2mm,系统操作简易,工作效率高,与原STM.IPC-205B系统兼容,工作性能稳定可靠。     

原子力显微镜观察二棕榈磷脂酸Langmuir-Blodgett膜超分子结构

用原子力显微镜研究了二棕榈磷脂酸（ＤＰＰＡ）单层和双层ＬＢ膜的排列结构，发现ＤＰＰＡ单分子层分子排列具有长程的位置和取向有序，同时首次发现在ＤＰＰＡ双层膜的极性区磷酸基团间存在局域超分子结构。     

原子力显微镜应用于铜合金表面生物沉积膜特性的研究

利用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)得到高分辨率的硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)形貌,通过测量Si3N4探针与SRB细胞之间的作用力,分析SRB和腐蚀产物等物质构成的生物沉积膜与H70-1AB铜片之间吸附力的变化.结果表明,探针与SRB细胞表面的作用力为-3.81 nN～-4.16 nN,与细胞边缘的作用力为-4.07 nN～-4.80 nN,后者的作用力明显大于前者.     

原子力显微术应用于生物纳米结构表征与测量的研究进展

对目前基于原子力显微术(AFM)研究纳米生物结构的发展作了简要地概述,特别注意到AFM对生物纳米结构的表征与测量具有重要的意义。本文介绍了纳米生物结构形貌的AFM表征、粘弹性的AFM测量以及生物分子力的AFM测量三个方面,充分显示出了AFM应用于生物领域中研究与发展的显著优势和潜力。     

利用金属膜的针尖诱导氧化过程和点击原子力显微镜工作模式实现纳米尺度模板复制

我们讨论用扫描探针显微技术研究超薄无序钛薄膜局域氧化过程,并利用此氧化过程实现薄膜表面钠米尺度网板修饰。实验说明针尖诱导氧化过程可被认为是电化学阳极氧化过程,钛薄膜的电阻,环境相对湿度,施加的电压幅度和氧化持续时间对纳米修饰的速度和分辨率都有影响。使用专门设计的软件,我们实现了基于针尖诱导氧化过程在超薄钛膜上按模板进行的纳米修饰图案。     

卵磷脂LB膜的π-A曲线及其结构的原子力显微镜研究

以蔗糖溶液为亚相,用KSV Minitrough研究卵磷脂LB膜的π-A曲线,以及各种参数(浓度、温度、pH值)对其π-A曲线的影响。并用原子力显微镜观察不同状态下(气相、液相、固相)卵磷脂LB膜的结构特征。实验结果表明,改变各种参数,卵磷脂LB膜的π-A曲线会发生一定程度的变化,且在不同的膜压下样品的粗糙程度也会发生不同程度的变化。在常温中性条件下,加入一定量(40~95μL)的卵磷脂可以得到最佳的成膜曲线。在亚相中,卵磷脂存在不同程度的堆积,固相时样品的粗糙程度最大,液相次之,气相最小。     

纳米Fe2O3颗粒填充UHMWPE复合材料摩擦表面的原子力显微分析

用纳米Fe2O3颗粒填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制备纳米复合材料.在MM200型摩擦磨损试验机上考察复合材料的摩擦磨损特性,用原子力显微镜观察分析复合材料摩擦表面的微观形貌,综合分析材料摩擦磨损的微观机理.结果表明,纳米Fe2O3颗粒填充UHMWPE可有效改善基体材料的摩擦学性能,其微观磨损机理由犁沟切削失效为主转化为微疲劳失效为主,在原子力显微镜下可以清楚地观察到在摩擦表面突起的纳米颗粒和摩擦过程中在基体中形成的疲劳痕线.纳米颗粒在基体中的分散是影响材料磨损性能的主要因素.当纳米颗粒出现团聚时,在颗粒周围会形成微裂纹,从而导致材料磨损加剧.     

在(111)Si衬底上磁控溅射纳米SiC薄膜的退火效应

用射频磁控溅射法在常温硅衬底上制备出了纳米碳化硅薄膜,并研究了退火温度对薄膜的影响。用傅里叶红外透射谱（FTIR）、x射线衍射（XRD）、x光电子能谱（XPS）及原子力显微镜（AFM）对薄膜样品进行了结构、组分和形貌分析。AFM表明,随着退火温度的升高,碳化硅颗粒尺寸增大;在高于1000℃退火3h后,碳化硅颗粒呈现出勺状拖尾。     

利用AFM动态电场在Si表面实现纳米氧化结构

讨论利用原子力显微镜(AFM)动态电场诱导阳极氧化作用下Si表面生成纳米氧化结构的特征,并进行相应的机理分析.实验表明,直流电压作用下的氧化结构表现出单峰特征,而电压脉冲和连续方波所得到的氧化结构具有中央凹陷特征和较高的纵横比.     

利用AFM动态电场在Si表面实现纳米氧化结构

讨论利用原子力显微镜(AFM)动态电场诱导阳极氧化作用下Si表面生成纳米氧化结构的特征,并进行相应的机理分析.实验表明,直流电压作用下的氧化结构表现出单峰特征,而电压脉冲和连续方波所得到的氧化结构具有中央凹陷特征和较高的纵横比.     

利用原子力显微镜纳米针研究Si2Sb2Te5 相变材料性能

The Si2Sb2Te5 phase change material has been studied by applying a nano-tip（30 nm in diameter） on an atomic force microscopy system.Memory switching from a high resistance state to a low resistance state has been achieved,with a resistance change of about 1000 times.In a typical I-V curve,the current increases significantly after the voltage exceeds～4.3 V.The phase transformation of a Si2Sb2Te5 film was studied in situ by means of in situ X-ray diffraction and temperature dependent resistance measurements.The thermal stability of Si2Sb2Te5 and Ge2Sb2Te5 was characterized and compared as well.     

利用原子力显微镜测量复合微胶囊静态弹性性质

用层-层组装方法制备了直径约为6μm的聚电解质多层复合微囊,并用原子力显微镜研究了微囊的弹性性质.通过用微球修饰的原子力显微镜探针对微囊加载,在空气和水环境下测童了不同刚性探针加载液体填充微囊的力曲线,利用微囊变形理论模型拟合力曲线,得到多层微胶囊的杨氏模量在90 MPa ～180 MPa之间.     

基于多重分形谱研究十二烷基硫醇分子自组装膜在铜表面的作用行为

采用动电位扫描、原子力显微镜相位测试,基于多重分形谱,研究了十二烷基硫醇分子自组装膜在铜表面的作用行为。结果表明,在氯化钠溶液中,十二烷基硫醇分子自组装膜对铜腐蚀有显著的抑制效果,缓蚀效率随自组装时间的增加而增大。采用原子力显微镜对样品进行相位图测试,基于多重分形谱对相位图进行分析,可反映出随着自组装时间的增加,自组装膜在铜表面从部分覆盖到完全覆盖的过程。     

利用激光扫描共聚焦显微成像系统的正交切割成像确证GFP标记细菌在植物根内定殖

用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）检测绿色荧光蛋白（GFP）标记的细菌常用来确证植物内生细菌的内生特性。本文通过用GFP标记的内生细菌侵染植物根,用LSCM分别检测植物的根段或根的徒手横切片,显示LSCM系统的无损伤光学切片和正交切割成像适用于确证GFP标记细菌在植物根内定殖,显示徒手切片对揭示细菌定殖模式及其入侵途径的不良影响,并依此更新LSCM检测GFP标记细菌在植物根内定殖的方法。     

利用多光子电离显微术研究铜铟镓硒薄膜太阳电池的微纳米膜层结构

基于超短脉冲激光多光子电离显微成像原理,利 用平均功率50μW、脉冲重复频率1kHz的 50fs激光脉冲,对铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池进行深度扫描, 比较分析了单纯钠钙玻璃衬底、镀钼钠钙 玻璃和铜铟镓硒/钼膜层/钠钙玻璃三种不同结构样品飞秒激光电离辐射信号的差别。实验发 现,对应于不同膜 层材料的飞秒激光诱导的电离辐射信号强度明显不同,在钠钙玻璃中电离辐射信号的强度约 为空气本底的 20倍,在Mo背电极层信号强度约为钠钙玻璃衬底的50倍,而CIGS层则出现与其带隙相对应的吸收谷, 谷的强度与空气背景相同,利用多光子电离显微术对太阳电池进行逐点扫描可以对CIGS和Mo 背电极层 的成膜质量、吸收带隙和微纳结构进行精细研究。分析表明,超短脉冲多光子电离显微术对 不同物质边界处 的变化非常敏感,在具有多层结构的复杂器件的微观特性检测方面具有独特的优势。     

蓝宝石衬底上单晶InAlGaN外延膜的RF-MBE生长

利用射频等离子体辅助分子束外延技术在蓝宝石衬底上外延了晶体质量较好的单晶InAlGaN薄膜.在生长InAlGaN外延层时,获得了外延膜的二维生长.卢瑟福背散射测量结果表明,InAlGaN外延层中In,Al和Ga的组分分别为2%,22%和76%,并且元素的深度分布比较均匀.InAlGaN(0002)三晶X射线衍射摇摆曲线的半高宽为4.8′.通过原子力显微镜观察外延膜表面存在小山丘状的突起和一些小坑,测量得到外延膜表面的均方根粗糙度为2.2nm.利用光电导谱测量InAlGaN的带隙为3.76eV.