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讓微觀變得直觀——島津原子力顯微鏡
發布人:網站編輯 發布時間:2021-11-19 16:05:25

      對極限微觀的不斷探索源于人們原始的求知欲。國際度量衡制度的確立為我們指引了探索的方向。從米到毫米,從毫米到微米,從微米到納米。當物質被我們不斷地“劈碎”。越來越多新性質,新現象,新功能被發現。人們對自然的認識越來越深刻,對物質的操縱也越來越得心應手。

  從二十世紀末開始,人類對微觀的探索延伸到了納米領域。在這個從僅比原子高一個層級的尺度范圍內,物質展現了一種和宏觀截然不同的狀態和性質。表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應帶來的是超高強度、超高導電性、超流動性、超高催化活性等等無與倫比的屬性。

  碳納米管作為一種人工合成的納米材料,甫一問世,其超高強度就驚艷世人。它的質量是相同體積鋼的六分之一,強度卻是鐵的10倍。

單壁碳納米管高度(直徑)測量

  在碳納米管被研制出來以后,雙壁碳納米管、摻雜碳納米管、復合碳納米管等多種材料被源源不斷制作出來。極小的尺度和樣品多樣性,迫切需要一種合適的檢測工具。

  在納米尺度下,光學顯微鏡的分辨率早已鞭長莫及,電子顯微鏡則因為嚴格復雜的制樣過程使測試門檻令人高不可攀,激光粒度儀對長徑比過大的樣品測試誤差極大也不適合。這時,較合適的觀測工具就是原子力顯微鏡。

  原子力顯微鏡作為專門的納米材料表征工具,天然具有高分辨率、高環境兼容性、多屬性分析種種優勢。

原子力顯微鏡觀察的不同碳納米管形態

  在生產中,因工藝不同,會產生長短粗細不同的碳纖維。如何有效對這些樣品進行歸類分析是個大問題。

不同工藝下碳納米管分散狀態

  借助島津原子力顯微鏡配備的顆粒分析軟件,則可以自動分析篩選,并對纖維的各種尺度進行統計分析。

極長和極短碳納米管的自動分類統計

  同樣,對于常見到的納米材料——納米顆粒而言,也可以依靠該軟件進行統計分析。

納米顆粒的粒徑統計

  而且,利用原子力顯微鏡,還可以有效觀察同樣粒徑下顆粒的不同形貌。例如以下兩個顆粒,粒徑均在100nm左右,如果用激光粒度儀測試,會被歸為一類。但是用原子力顯微觀察,則可以發現很大的不同。

粒徑近似的納米顆粒聚集形態

  左側的顆粒是單個粒子,二右側的則是多個顆粒聚集形成的,在原子力顯微鏡的小范圍觀察圖像中可以清晰分辨二者的不同。

  但是,通常的原子力顯微鏡很難兼顧大視野和高分辨。要想同時觀察統計大量顆粒,就需要用大范圍觀察,這樣一來每個顆粒的細節分辨就難以看清。如果聚焦到一個顆粒上細致觀察,則無法從整體上評估樣品。

  解決的辦法就是提高原子力顯微鏡圖像的分辨率。島津推出了8192*8192點陣的高掃描能力??梢栽诖蠓秶^察的同時又看清每一個小細節。

兼顧大視野和小細節的超大點陣掃描圖像

  原子力顯微鏡作為人類眼睛的延伸,像一個精細的觸手,細致地捕獲納米材料的形貌、機械性能、電磁學性能等等屬性,使這個微乎其微的領域直觀地展現在我們眼前,為我們更深更廣地認識納米材料提供了有力幫助。

文中相關儀器介紹詳見以下鏈接:
https://www.shimadzu.com.cn/an/surface/spm/index.html

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