先进显微技术为人类科技和社会的进步做出了巨大贡献,原子力显微镜以其高分辨、制样简单、易于操作、三维分析等优势在国际上受到高度重视,极大地促进了材料科学、纳米技术的发展。新能源材料的三维纳米结构与其性能密切相关,三维纳米结构的构建可以极大地增大材料的比表面积,并且影响材料的微观工作机理,对改善材料性能至关重要。
相比扫描电子显微镜、透射电子显微镜等分析技术,原子力显微镜不仅可以得到材料表面的二维平面图像,而且能直接测量样品表面的高度变化,因而能直接提供样品表面三维纳米结构的分析结果。同时原子力显微镜具有各种不同的分析测量模式,有利于得到样品综合分析的结果,并且随着技术的发展,功能逐渐完善,能够让用户快速组装微型新能源电池,可以实时分析新能源材料的工作状态,深入认识新能源材料的工作机理,这对新能源材料的分析研制具有非常重要的意义。
实验原理
原子力显微镜的基本工作原理如图21.1所示。
图21.1 原子力显微镜工作原理示意图
一个带针尖的悬臂接近样品表面,在针尖与样品表面之间的相互作用力下,悬臂发生微小弯曲。令一束激光照射在悬臂背面,反射出来的光通过发射镜引到光探测器进行光电探测。悬臂发生弯曲时,反射光的路径发生微小偏转,激光照到探测器上的位置发生偏移。通常人们使用两个并排的光探测器,使光照在其交界处附近,当光斑位置偏移时,两个探测器测得的光电信号的差值(A-B)发生变化,从而探测到针尖所受样品表面作用力的信息。将针尖沿样品表面进行扫描,同时监控作用力的变化,用电脑分析处理,给出样品表面形貌的图像。
相对于电子显微镜的二维图片,原子力显微镜提供的是样品表面三维形貌图。原子力显微镜可以在大气环境下工作,制样相对简便。随着技术的发展,原子力显微镜的功能已经相当丰富,具备各种不同的工作方式和模式,不仅能测量针尖与样品表面之间的原子和分子作用力,还可以测量电力、磁力等,甚至能够让用户快速组装微型新能源电池,实时分析新能源材料工作状态,有着广泛的应用前景。