基于原子力显微镜及透射式扫描软X射线显微成像术的固液界面纳米气泡的研究

摘要

固液界面的研究一直是前沿科学的重要领域。2000年，Lou等和Ishida等首次分别利用原子力显微镜（AFM）获得了不同基底表面的纳米气泡图像，随后，纳米气泡引起了越来越多研究人员的关注。其中，长寿命和大液相接触角是固液界面纳米气泡最为奇特的两个特性。
　　目前已有大量的实验和理论工作陆续发表，但关于纳米气泡稳定机制的解释仍然存在很多争议。固液界面纳米气泡的很多特性还需要更深入地研究，例如纳米气泡本身的一些物理性质，基底性质对纳米气泡界面行为的影响，纳米气泡的内部结构等。
　　首先，关于纳米气泡的物理性质，本论文利用AFM的PF-QNM模式对纳米气泡的硬度进行了测量，发现其硬度一般为50-120 pN/nm。同时我们还测量了类气泡状的PDMS的硬度，初步的实验结果表明，PDMS的硬度一般为200-1200 pN/nm，比纳米气泡的大，这可以用来区分纳米气泡和PDMS。
　　其次，先前的实验表明，基底的浸润性对纳米气泡的界面性质和稳定性影响很大。本文中，我们将还原性石墨烯铺展到不同疏水性的氮化硅、云母和高序热解石墨三种原子级别平整的基底上，然后通过醇水替换得到了相同条件下两种不同表面上的纳米气泡。我们利用PF-QNM模式测量了这些纳米气泡的形貌，并将不同表面上纳米气泡的接触角与其对应的宏观接触角进行比较，结果表明，基底的疏水性越强，纳米气泡的液相接触角越大。另外，为了进一步研究基底的性质和结构对纳米气泡的影响，我们还利用电子束光刻技术制备了不同纳米级周期性结构基底，观察纳米气泡在其表面的吸附情况。实验发现，周期性足够小的基底会对纳米气泡的生长产生一定的束缚。
　　最后，由于AFM无法提供纳米气泡的化学信息，本论文还通过同步辐射透射式扫描软 X射线显微成像术（STXM）探测了电化学产生的氧气纳米气泡在固液界面的吸附行为。STXM拥有很高的空间分辨率（30nm），它利用聚焦的微束作为探针对样品进行扫描，可以直接给出样品的图像。更重要的是，利用元素的近边吸收分析方法，它可以给出

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引言

1固液界面纳米气泡，AFM以及透射式扫描软X射线成像介绍

1.1固液界面纳米气泡

1.2 AFM的历史和工作原理

1.3同步辐射的历史和透射式扫描软X射线成像

1.4关于本论文

2利用PF-QNM 模式来区分PDMS与纳米气泡

2.1引言

2.2实验仪器及材料

2.3 PDMS样品的制备

2.4 PDMS-water混合液的PF-QNM成像

2.5氯仿溶PDMS的PF-QNM成像

2.6分别使用玻璃注射器和塑料注射器做醇水替换的实验对照

2.7实验小结

3利用AFM研究不同亲疏水性基底上纳米气泡的性质

3.1引言

3.2实验仪器及材料

3.3 AFM样品的制备

3.4还原性石墨烯在不同基底上的铺展

3.5不同基底上纳米气泡的成像

3.6不同基底上纳米气泡的形貌

3.7实验讨论

3.8实验小结

4利用纳米周期性结构调控纳米气泡的生长

4.1引言

4.2实验仪器及材料

4.3纳米周期性结构基底的制备

4.4纳米气泡在纳米周期性结构上的生长

4.5实验总结

5利用STXM研究固液界面纳米气泡的吸附

5.1引言

5.2实验仪器及材料

5.3 STXM样品的制备

5.4 STXM观测电化学产生的纳米气泡

5.5实验小结

6总结与展望

6.1论文总结：主要内容和创新点

6.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢