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力調(diào)制模式成像技術(shù)

? ? ? ?力調(diào)制模式(Force Modulation Mode,F(xiàn)MM)是原子力顯微鏡的一種擴(kuò)展功能。力調(diào)制模式的原理如下圖所示:

AFM力調(diào)制模式成像技術(shù)原理圖

原子力顯微鏡力調(diào)制模式的原理

? ? ? ?在原子力顯微鏡的接觸模式(Contact mode)下,對(duì)探針在掃描的垂直方向上額外施加一小的振蕩激勵(lì),震蕩頻率(調(diào)制頻率)遠(yuǎn)高于掃描速度和系統(tǒng)反饋的響應(yīng)速度,這樣,相當(dāng)于對(duì)探針與樣品的作用力大小設(shè)置點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)制,而探針對(duì)樣品的平均作用力同簡單接觸模式是相等的。由于探針針尖與樣品相接觸,表面阻止了微懸臂的振蕩并引起它的彎曲。在相同作用力和相同的調(diào)制幅度的條件下,樣品剛性區(qū)域的形變要比柔性區(qū)域小很多。也就是說,對(duì)于垂直振蕩的探針,剛性表面對(duì)其產(chǎn)生更大的阻力,隨之微懸臂的彎曲就較大。微懸臂形變幅度的變化就是對(duì)表面相對(duì)剛性程度的測量。在對(duì)樣品進(jìn)行掃描成像時(shí),形貌信息(直流或非振蕩形變)與代表樣品剛度的力調(diào)制數(shù)據(jù)(AC或振蕩形變)是同時(shí)采集的,因此可以實(shí)時(shí)同步原位得到樣品表面形貌和剛度分布。

? ? ? ?使用力調(diào)制技術(shù)在那些形貌特征差別不明顯的表面上,進(jìn)行表面相對(duì)彈性的觀察研究是很有意義的。力調(diào)制技術(shù)在聚合物、半導(dǎo)體、材料組成和其他領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景。

? ? ? ?下圖為本原儀器獲得的碳纖維/復(fù)合材料橫截面區(qū)域的表面形貌和相對(duì)剛度檢測結(jié)果:

未經(jīng)處理的碳纖維復(fù)合材料力調(diào)制檢測結(jié)果圖

未經(jīng)處理的CF/EP復(fù)合材料表面的形貌和相對(duì)剛度圖像

左:形貌圖,右:相對(duì)剛度圖

氧化處理的碳纖維復(fù)合材料力調(diào)制檢測結(jié)果圖

氧化處理的CF/EP復(fù)合材料表面形貌和相對(duì)剛度圖像

左:形貌圖,右:相對(duì)剛度圖

? ? ? ?下圖為復(fù)合材料橫截面檢測得到的力調(diào)制圖像和沿圖像中虛線的得到剛度分布圖:

碳纖維-環(huán)氧樹脂力調(diào)制檢測結(jié)果

CF/EP力調(diào)制圖像和剛度分布

左:力調(diào)制圖像,右:剛度分布圖(沿圖像中虛線)
碳纖維-環(huán)氧樹脂碳納米管力調(diào)制檢測結(jié)果

CF/EP-CNTs力調(diào)制圖像和剛度分布

左:力調(diào)制圖像,右:剛度分布圖(沿圖像中虛線)
碳纖維碳納米管-環(huán)氧樹脂力調(diào)制檢測結(jié)果

CF-CNTs/EP力調(diào)制圖像和剛度分布

左:力調(diào)制圖像,右:剛度分布圖(沿圖像中虛線)