碳纤维AFM探针的制备及其在结构表征中的应用

摘要

原子力显微镜（AFM）是一种用于纳米尺度多种性能表征仪器，目前普遍应用的 AFM主要都采用基于微悬臂结构的力探测器，测量垂直于样品表面方向的性质信息。针对微悬臂结构的缺点，如：需要庞大的光检测系统，品质因数（Q）低，灵敏度低，且无法用于极端的测试条件等，本文开展了基于碳纤维探针–晶振结构AFM的研究，并首次提出了一种在纳米尺度上进行三维原位表征的方法。
　　碳纤维具有强度高、模量高、密度低等一系列优异的性能，被广泛应用于航空、航天等国防领域，另外在汽车、电子、运动器材等民用领域也有广泛的应用，是高科技领域不可或缺的基础材料。将碳纤维制备成带锥尖的探针应用于AFM系统，可以显著提升系统的综合性能。
　　碳纤维的内部结构与性能的关系，通过采用等离子体刻蚀逐层剥离碳纤维表面，研究了碳纤维 T700和T300的异质结构，测试了 T700单丝电性能和力学性能沿径向的分布，结果证明具有皮芯结构的聚丙烯腈基碳纤维，芯部电性能和力学性能差，因而制得的碳纤维探针的性能也差，因此应该选择径向性能均一的沥青基碳纤维来制备碳纤维探针。采用自主搭建的电化学腐蚀系统，研究了影响探针形貌的制备工艺条件，通过实验分析总结出了制备碳纤维探针的最佳工艺参数为：采用高模量的M40碳纤维，腐蚀起始电压为5 V，参考电压为1.6 V，电解液NaOH溶液的浓度为4 mol·L1。在此条件下制得的探针锥面表面光滑平整，针尖是理想的指数函数形状，针尖顶端直径小于25 nm，制备成功率超过50%。
　　自主搭建了以碳纤维为探针的AFM，主要由硬件系统、控制系统和软件系统组成。此自主研发的AFM系统在大气环境条件下的横向分辨率可达0.22 nm，纵向分辨率可达0.024 nm；其紧凑型刚性结构的扫描探头设计，保证了系统的机械稳定性，最大程度减小外界环境对系统的影响；其slip-stick结构压电马达设计，使系统在x、y和z三轴上的步进精度均为100 nm；其可调电容结构前置放大器设计，可数控精确地补偿石英音叉力传感器的旁路电容。
　　本文以金纳米粒子/热塑性丙烯酸树脂（Au NPs/TPAR）、苯乙烯–甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物（PMMA-b-PS）和聚苯乙烯/低密度聚乙烯（PS/LDPE）三种材料体系作为研究对象，对自制碳纤维探针–石英音叉力传感器AFM进行了验证。首先，可以用于材料表面形貌以及表面粗糙度的纳米测试与表征；其次，利用碳纤维探针的导电性能，原位表征材料表面的电学性能，测得的PMMA-b-PS单分子层膜表面接触电势差与文献报道一致；再次，碳纤维探针与抬起–回落模式（LOM）AFM扫描技术相结合，可以快速测量异质结构材料体系表面在纳米尺度的各力学性能参数。
　　开发了基于石英音叉–碳纤维探针力传感器的双模式、二维和三维原子力显微技术。基于石英音叉的基本结构，结合低温玻璃焊接方法，设计并制备了多个石英音叉以不同方式相组合的新型微悬臂力传感器，这种力传感器具有多频原位驱动与检测的功能，使用两个本征模态来激发石英音叉力传感器振动并进行检测，利用第一个本征频率的信息成像并检测材料表面形貌信息，利用第二个本征频率的信息成像并检测材料表面的结构与性质。制得的组合石英音叉力传感器具有高且稳定的Q值，进而保证了系统的扫描精度。基于碳纤维探针和组合晶振结构的双模式AFM，具有很高的测试灵敏度和空间分辨率。二维驱动AFM力传感器可简单有效地实现纳米尺度二维性能的原位检测，即可以同时获取平行于材料表面x和y方向上的作用力，进而获得材料表面的摩擦力、剪切模量等二维信息。将二维驱动 AFM力传感器与晶振结构样品台相结合，首次制备了在纳米尺度上具有三维原位驱动与检测功能的AFM，这种组合晶振结构三维AFM表征方法，这种AFM技术可进一步用于材料在纳米尺度多种物理性能的各向异性分析与表征。
　　本文开发的基于碳纤维探针–晶振结构的AFM，显著拓展了传统AFM的应用范围，三维原位驱动、检测与性能表征平台的开发，有助于提高对材料微观组织结构的认识程度，对纳米科学以及相关的生物、材料、物理、化学等多个学科发展起到重要的促进作用。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 AFM概述

1.3 本文的主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料及实验仪器

2.2 AFM力传感器的制备

2.3 扫描样品的制备

2.4 表征方法

第3章 碳纤维探针的制备

3.1 引言

3.2 碳纤维单丝皮芯结构的研究

3.3 碳纤维探针的制备

3.4 碳纤维探针形貌的影响因素

3.5 本章小结

第4章 碳纤维探针用于自制的AFM系统

4.1 引言

4.2 自制AFM系统

4.3 碳纤维探针用于STM系统的扫描测试

4.4 碳纤维探针用于AFM系统的扫描测试

4.5 本章小结

第5章 碳纤维探针AFM的应用

5.1 引言

5.2 碳纤维探针AFM用于材料表面形貌表征

5.3 碳纤维探针AFM用于材料表面静电力性能测试

5.4 碳纤维探针AFM用于材料表面力学性能测试

5.5 本章小结

第6章 碳纤维探针多功能AFM

6.1 引言

6.2 基于组合晶振结构的双模式AFM

6.3 基于组合晶振结构的三维AFM

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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