| 最初介绍作为辅助部件给浏览的挖洞显微学 (STM)，基本强制显微学 (AFM)成为用于学术和产业研究宽广地的一个先进和多数重要的扫描探测技术。 AFM 一个优越功能 - 表面的高分辨率形象化 - 定义了大多其应用。 一方面， AFM 显微镜为各自的分子毫微米缩放比例对象的想象和处理被使用。 另一方面，他们广泛申请在 AFM 使用为地面粗糙度评定和为技术上重要表面结构形状/配置文件定量考试，例如 DVD 和 CD 的模式的一定数量的行业的质量管理。 在过去十年中，许多研究员与软的问题一起使用 (生物对象和聚合物) 认可了此方法的重要性。 毫微米缩放比例功能一样小象各自的大分子，他们的集合和较大规模的形态学，在 AFM 图象可以容易地被认可。 另外，这个情况 AFM 探测的僵硬与聚合材料的僵硬是可比较的使成为可能区分用不同的机械性能的范例地点。 这样，异种聚合材料多种要素在图象可以被识别。 许多年，聚合物范例的考试与 AFM 的执行在四周情况和在液体下。 这些研究最近延伸到不同的温度。 照此， AFM 可以使用为热量转移导致的结构变化原地监控和为结构转换的形象化胀大的和其他作用造成的。 此应用注解存在几种小说 AFM 应用对聚合物。 AFM 实验的优化 与其他微观技术比较， AFM 仍然在其初期。 AFM 的功能，特别是在软的材料的研究中，不断地扩展与手段的持续的发展和研究员的增长的实践经验。 最近有助发展包括更加准确的致动器和更加敏感的探测器设计，新的操作方式和专门化的探测。 特别地，也有整体显微镜设计，并且降低其热量偏差的进一步改善的空间。 在实用的 AFM 应用，是源远流长的开发的模式成象技术是更可取的对联系模式技术。 根据想象需要，应该调整试验条件对高分辨率和柔和描出表面功能或为异种聚合物系统不同的要素的大反差形象化 (聚合物混和，嵌段共聚物，聚合物综合)。 在开发的模式下，更改高度自由摆动的探测 (A0) 和调整点高度变化技巧范例强制交往的级别 (Asp)，以及通过使用与另外僵硬的探测。 例如，低强制想象 (轻开发) 通过适用软件达到探查 (僵硬低到 0.3 N/m)，使用小的 A0和 Asp接近 A。0 这些情况对软的材料非破坏性，高分辨率想象是有利。 一个好标准光开发是想象，配合的探测阶段是接近其在自激振荡的阶段。 在高的技巧范例强制的运算，通过使用僵硬的探测，可以达到sp通过降低 A0，增长的 A 和，为各自的要素作文想象是最佳的在异种材料的。 在许多情况下，各自的要素由在阶段图象的另外对比区分。 对于多成分的材料作文想象与橡皮要素的，最显著的阶段对比通常达到在困难开发的情况 (A0= 80-100nm， Asp= 40-50nm，与 ~40 个 N/m 僵硬的探测)。 在艰苦开发与橡皮顶层的聚合物范例，它因而探查表层下结构的这个技巧压下范例和甚而击穿到他们。 当橡胶范例想象高于 100nm 执行与 A 和 A 一样小象05nm 时，技巧渗透可能sp到达数百毫微米。 聚合物结构高分辨率想象 当前， AFM 最终解决方法的问题仍然是一开放一个。 从期初，在联系模式下得到的 AFM 图象显示了有机和无机化合物表面晶体格子，但是无法显示查出的分子缩放比例缺陷 (真的分子解决方法)。 使用在 UHV 的振动 AFM 模式允许与真的基本解决方法的想象对一定数量的水晶表面，并且甚而子埃想象达到。 近来，真的分子解决方法在航空的开发的模式下是有问题的。 使用新颖的超锋利的探测和一台 AFM 仪器有低热量偏差的使此成为可能。 开发与真的分子解决方法的模式想象的示例，在 polydiacetylene (PDA) 水晶的研究中获得，在表 1. 被展示。 此聚合物有草图存在的一种化学结构。 顶面 (BC 平面) 其水晶由链副组的最终分子细分市场形成，在与主要参数的一个长方形细胞被包装： b = 0.491nm 和 c = 1.410nm。 PDA 水晶显示的此图象不仅正常格子，与晶体结构是一致的 BC 表面，而且分子大小缺陷。 这个图象得到了与超锋利的探测，由碳峰值等离子协助解决的证言在 Si 被铭刻的探测的尖顶的准备。 此探测的值不仅在表面表明与一个期望的分子或 atomicscale 命令，而且在少被命令的在毫微米缩放比例的表面和毛孔高分辨率想象与槽纹的。 此的 TEM 微写器探测、定期地使用的 Si 被铭刻的探测和新颖的金刚石探测在图 2a.c 收集。 与子10nm 尖顶范围的这样探测为分子缩放比例想象是无价的。 
图 1. (a) 化学结构、水晶形状和晶体秩序草图在 BC 平面用于高分辨率 AFM 想象 (PDA) 的 polydiacetylene 的。 (b) - (c) 高度图象的 BC 表面在航空的开发的模式下获得的 PDA 水晶。 碳峰值探测用于实验。 图象显示表面组和一个分子缩放比例缺陷一个被定购的装箱。 图象在一个 10 Min. 间隔内的同一个地点被记录了。 这个缺陷的班次与 ~0.6nm/min. 有关热量偏差。 
图 2. AFM 探测 TEM 微写器。 (a) 碳峰值增长在 Si 被铭刻的探测尖顶; (b) 被铭刻的 Si 探测; (c) 金刚石技巧。 TEM 微写器和金刚石打翻 - 礼貌 B. Mesa (MicroStar 技术)。 一定数量的峰值出现在探测 (图 2a) 的肢的实行确定限制给他们的使用。 相对地应该学习平面的范例以这样探测避免多个峰值的同时交往与范例表面的。 锋利的峰值的脆弱的本质也要求柔和从事和想象程序。 这些前提条件是较不过分要求的一旦 Si 被铭刻的探测，并且金刚石探查，尖顶维数可以在这个子10nm 范围。 除使用锋利的探测以外，与低热量偏差的 AFM (在 0.5nm/min 下) 对分子缩放比例想象是重要在开发的模式下由于内在缓慢的扫描对此方法。 使用此 lowthermal 偏差仪器，分子缩放比例解决方法在一块针对的聚四氟乙烯 (PTFE) 层的图象也达到，并且使用正常 Si 的液体水晶材料铭刻了探测 (图 2b) 和金刚石探测 (图 2c)。 PTFE 的高分辨率图象在图 3a-b 显示。 与步骤的平面的水晶大阳台在高度的 0.56nm 被看见在表面此层 (图 3a)，由在玻璃基体的热摩擦准备。 
图 3. (a)在航空的开发的模式下 PTFE 层得到的高度图象。 在图 3a-b 的顶部显示的更高的放大图象在地点得到了标记用虚线。 被铭刻的 Si 探测用于实验。 这表明表面被形成唯一分子页。 这个 10 nm 地点 (顶部的高分辨率图象) 显示与 0.56 nm 间隔的各自的聚合物链子。 也有一定数量的缺陷，一些在图 3b 被扩大化。 圈子指示的脱臼缺陷由 PTFE 链子做成，从一分子页延长到另一个。 分子缩放比例想象的一个示例在表 4 还存在，星状分子一块锻炼的层的图象在 Si 基体的收集。 形态学模式，在图 4a 的大规模图象被看到，为液体水晶材料是公用的。 在平面的域，一个可能区分与几乎正交格子的一个水晶命令，描绘为重复距离 3.4nm 和 3.6nm。 AFM 图象的比较与 X 光分析的结果的将帮助显示在此层的分子装箱。 
图 4. (a) - (c) 在液体水晶材料表面得到的高度图象在开发的模式下在航空。 圆盘形的星形分子化学结构草图形成此材料的在 (a) 的插入显示。 第 2 FFT 图象的能谱在 (b) 的在插入显示。 图象的下半在 (c) 的在过滤以后显示。 被铭刻的 Si 探测用于实验。 微观和 nanoscopic 对象在图象比他们的特定形状和维数被认可由更多。 唯一大分子的形象化，根据证言他们的与基体的交往程序和特定采用不同的分子相应一致，是其中一个最扣人心弦的 AFM 功能。 脱氧核糖核酸大分子的 AFM 研究，例如，成为这个定期程序超过 10 年前。 在不同的技巧强制的想象经常导致图象对比反射局部机械性能的差异，并且此程序可以被运用于唯一大分子。 当想象在云母 (图 5b-c) 时安置的脱氧核糖核酸大分子执行在不同的强制，表示这个大分子的这个结构的对比强调其整体形状或一个更加严格的核心，严密地有侧面维数与脱氧核糖核酸相应的期望的范围。 
图 5. (a) - (c) 脱氧核糖核酸大分子的高度图象在云母的。 在 (b) 和 (c) 的图象在不同的技巧强制的同一个地点得到了。 (d) - (f) 液体水晶 carbosilane dendrimer 大分子的高度图象在 Si 基体的。 这些分子化学结构的草图在 (d) 的插入显示。 在 (e) 和 (f) 的图象在不同的技巧强制的同一个地点得到了。 在另一个示例 (图 5d-f) 中，范围 5nm 在大小上表示 carbosilane dendrimer 各自的大分子，在 Si 基体存款。 这些大分子综合的想象在不同的强制的向显示大分子的外部从明亮更改其对比到黑暗，当技巧强制增加，图 5e-f。 在同样条件，大分子的核心依然是明亮，指示其更高的刚度与分子的周围比较。 此结果对应于高密度分子的中央部分，由分子动力学模拟确认。 在两种情况下，技巧强制导致的图象更改是可逆的并且反射局部机械性能的差异。 对各自的综合聚合物分子的研究的 AFM 的使用展示的首先由唯一链子的形象化多 (苯乙烯) - b 多 (methylmethacrylate) 嵌段共聚物和是通过监控湿气差异造成的他们的相应一致的更改。 此工作由唯一 dendrimer 分子、大分子画笔和聚合物与迷你树状组观察与 AFM 应用的一个迅速地增长的编号跟随。 对于这样研究，唯一大分子在所选的基体 (云母、硅片、玻璃、石墨等等) 典型地存款从非常稀溶液。 基体选择为修理的大分子和解开的聚合物链子是重要的。 解开也许由最终烷基外延对石墨的协助解决，在烷和聚合物分子的研究显示了与迷你树状副组。 唯一大分子想象不是一个琐细的程序，并且一个人可能期待在推导各自的大分子的正确的范围的困难从 AFM 图象。 当想象查出在基体时的毫微米缩放比例对象，避免技巧形状的卷积与大分子的形状的，以及唯一大分子的可能的技巧诱发的变形是相当难。 应该考虑到这些作用在对查出的延长的链子的宽度和高度的分析期间从 AFM 图象的，这些大分子的整体形状外观和等高长度在图象更加正确地被再生产。 所以，图象可以使用为大分子相应一致的评估在不同的基体的和为分子长度直方图的建筑，关于分子量分布的直接情报。 示例的 AFM 如何可以是应用的为对大分子的构象分析在不同的基体和散装在 polyphenylacetylene 大分子的研究中得到了与迷你树状组 (图 6a) 的。 
图 6. (a) 化学结构与迷你树状组的 polyphenylacetylene 和这些分子外观的草图散装在 X 光分析基础上。 这些大分子的高度图象在批量聚合物的破裂表面的抽样 (b)，在云母 (c) 的一个唯一分子域和在石墨 (d) 和 (e)。 在 (c) 插入的编号指示被标记的四个分子的长度与在图象的一条空白线路。 在图象的红色箭头在 (d) 显示其中一在石墨的分子栈。 散装，这些大分子在一个六角格子被安排，并且各自的链子直径，由在 “夹克”包裹的这个核心形成迷你树状组，是在 5nm (X-射线数据) 附近。 被定购的链层，观察与在一个批量范例的破裂表面的 AFM，陈列步骤高度 (4.5nm) 等于对大分子的直径。 4.9nm 间隔被找到在一个顶面的图象看见的唯一链子之间此范例 (图 6b)。 这些维数是接近链直径 (5.0nm) 确定与 X 光分析。 聚合物链子的 AFM 图象在云母和石墨的在图 6c-d 显示。 ~4.5nm 链间隔，从聚合物综合的图象是确定的在云母的，与在破裂表面的分子层找到的那是类似的。 当大分子在石墨存款，他们的外延导致了沿这个基体的主要晶体轴的链对准线，图 6d。 大分子的宽度在石墨的如被测量用三不同栈 (其中之一是由红色箭头表示的) 在此图象是大 (6.5-6.6nm) 比在云母。 充分地也减少大分子的高度在石墨 (~0.79nm) 的与那比较在云母和在破裂表面。 这些观察建议聚合物链子在石墨被铺平，但是保留在云母的几乎圆柱形形状。 大分子自集合在基体的进行作为他们的解决方法，浓度为证言使用，增量。 因为他们可以承受技巧强制更好比唯一大分子，被包装的大分子域在基体的在 AFM 可以更加容易地被观察。 从对大分子自集合的 AFM 图象的分析提出在不同的基体的主要问题有关大分子交往和那些的互相作用在聚合物层内的在大分子和基体之间。 后者典型地影响在位于立即在这个基体的一块或几块层的大分子命令。 在层内的分子间的交往在聚合材料起源于不同的 mesogen 组，并且也许控制没有与层接近度的相关性与这个基体。 几个有趣结果在烷和聚乙烯层的 AFM 研究中得到了 (PE)在石墨的。 什么在烷的 AFM 图象被看见是主街上的叠更以另外对比在高度或阶段图象。 C H， C H1838和 C36H74烷的 AFM60图象122 在图 7a.c 的显示出，主街上的宽度与聚合物链子的长度相符。 到目前为止，显示各自的烷链子的 AFM 图象不知道，而单个的形象化 - CH2-组在烷层的 STM 图象通常达到在液体固定的界面的与石墨。 在 AFM 图象，末端的一些 - 在3薄片状边缘的 CH 组典型地被看到作为黑线。 此分配由想象 C H390层782确认 (图 8a-d) 在高度和阶段图象上的可逆变化被观察了的地方，当变化技巧范例强制交往。 
图 7. (a) - (c) C H， C18H38和 C36H74在石墨的60烷的122阶段图象层。 
图 8. (a) - (b) 超长的烷在轻开发得到的石墨的 C H 的高度 ()390和782阶段 (正确的) 图象。 (c) - (d) 地点的高度 () 和阶段 (正确的) 图象和一样 (a) 和 (b) 的获得在艰苦开发。 所有图象得到了在 T=130°C。 其中一个局部缺陷与形成在相邻的薄片状丝带之间的烷分子有关一座桥梁指示与在 (c) 的一个圈子。 在轻开发，高度图象表示表面地势; 因此， - CH 末端组3烷，庞大比 - CH 组站点2-，被看见高。 对应的阶段图象的一个微不足道的对比确认低技巧范例强制交往。 当技巧强制增加 (艰苦开发) 时，地区的可能的技巧变形的更加移动 - CH3组做这些地点看上去黑暗在高度和阶段图象; 因此，图象表示烷层的薄片状命令在石墨的并且帮助形象化多种缺陷。 一个这样缺陷，与形成在相邻的薄片状丝带之间的烷分子有关一座桥梁，在图 8d 被指出。 聚合物范例的研究在高温的可能产生关于被吸附物层的组织的无价的信息在不同的基体的。 特别地，我们的在不同的长度烷层高温想象的工作 (从 C18对38C H)390和782聚乙烯的 H (PE) 在石墨向显示在融解基体界面的命令保留在充分地超出相关水晶的熔化的温度的温度。 在这样评定，这个技巧通过融解击穿并且到达位于立即在这个基体的这块薄片状层。 结构上的重新整理进行在高温 C H 烷和 PE 的图象390显示的782这个方式在图 9a-f 上。 
在石墨的图 9. (a) - (c) 超长的 C H 的390高度782图象在石墨分层堆积在 155°C. (d) - (f) 高度图象聚乙烯层在 150°C。 一旦 C390H782层 (图 9a.c。)，在这个温度到达了 155°C 后，这个中间大阳台的之字形型鳞片首先更改了到更加平直的形状然后再改方向沿大阳台边缘。 这些叠更反射几交往互相作用在层内的分子之间和烷分子和这个基体之间。 更加庞大 - CH3末端组强制执行下滑链子关于导致鳞片的之字形形状的彼此。 温度增量，分子流动性被提高了，并且足够的空间变得可用为相邻的链子的末端组。 这也许解释调直鳞片。 增加的分子流动性也挑衅了烷链子的注册表损失与其中一个的石墨的主要方向。 结果，薄片状丝带沿大阳台边缘择优地对齐。 一旦 PE 层 (图 9d-f)，薄片状域，陈列沿这个基体的主要轴的一个明确定义的取向 (留下图象)，逐渐丢失此外延排列由于进一步增加的分子流动性 (中间和正确的图象)。 材料、各自的鳞片损失这个薄片状命令 (参见正确的顶部角落的正确的图象) 和破损的持续的 isotropization 到块里是在此进程中按照的局部链行动的结果。 映射多成分的聚合材料 因为通过适当混合不同的聚合物和补白一能设计与理想的属性的材料多成分的聚合材料是用途广泛在许多行业。 没有微观分析，在这样材料的结构属性关系是难了解。 AFM 是非常有用的在此分析在从数百的缩放比例微米对毫微米。 各自的要素特定在他们的机械和电属性上的形状以及变化在 AFM 图象给他们区分与互相。 二 nanocomposites 的与 Si 微粒的图象，与黏土的 polyparaxylylene 和聚丙烯，在图 10a-b 显示。 Si 微粒，被看到，当与变化在这个 5-10nm 的半径的小的范围排列，在聚合物矩阵被分散。 层状黏土矿物小的页，有些在综合，被看见边缘在结构在图的 10b 几个地点。 综合出现表明剥落进程，可能分隔补白到与下来厚度的多个页到分子范围，未被优选。 
图 polyparaxylylene 的 10. 阶段图象用 Ag 微粒 (a) 和聚丙烯装载了充满黏土微粒 (b)。 往各自的 nanoparticles 的高分辨率观察的进一步工作成绩在子 100 nm 图象的将是相当理想的不仅为形象化他们的在这个矩阵的配电器，而且为确定 nanoparticles 特定形状在多成分的材料和他们适当的分配的，现在是相当困难的。 microphase 的形象化分隔形态学 (球状，圆柱形，薄片状或者 micellar) 嵌段共聚物，描绘为在这个 5-50nm 范围的结构上的参数，是其中一个在 AFM 应用的定期程序。 不同的要素域，由于聚合物混合的分相，被形成，特点是更加大号。 AFM 提供不同的变粗的进程的实际空间观察并且允许阶段体积分数的直接域多种形态学界面曲度的量化和计算。 在嵌段共聚物和聚合物混合上的 AFM 图象的对比变化与在这个要素的机械性能上的区别有关。 AFM 允许局部机械性能的研究在缩减对亚微型通过检查强制曲线用不同的范例地点。 图象在表 11 向显示聚合物属性宏观测试可能延伸到 nanoscale，对发展是重要在纳米技术方面。 强制曲线存在偏折与距离 (DvZ) 或高度与距离 (AvZ) 相关性。 在对软的材料的申请，当这个技巧击穿范例和实际上损坏这个表层时， DvZ 曲线经常被记录。 
图 11. (a) - (b) 强制显示用不同的机械性能的 500nm 和 100nm 多苯乙烯 b 聚丁二烯 b 多苯乙烯影片区数量映射表面地点。 作为一个的更加明亮的区标记用绿色交叉描绘的是为 AvZ 曲线下面显示的 (a) 和公用多苯乙烯的; 作为一个的更加黑暗的区标记用跨的蓝色 AvZ 曲线下面显示的 (b) 和公用聚丁二烯的。 AvZ 曲线的评定，是较不破坏性的和描绘的是为更小的技巧范例区，适用于与 1nm 的史无前例的解决方法的探通的表面机械性能。 这在图 11a-b 被展示由强制数量映射，被编译 128x128 一些在多苯乙烯块聚丁二烯blockpolystyrene (SBS) triblock 共聚物薄膜表面收集的 AvZ 曲线。 表示技巧交往的曲线用多苯乙烯和聚丁二烯块是不同的 (图 11a- b); 在映射的不同的对比反射在必要的 Z 旅行上的变化阻止配合的探测的高度到运算符选择的触发器级别。 这样实验允许不同的块占用的表面地点的准确的确定并且提供实验数据为提取的定量数据 nanomechanical 设计，当前是一个富挑战性的问题在仔细考试下。 在聚合物的 nanomechanical 描述特性进一步扩大与 AFM 的，检查不同的聚合物系统黏弹性回应在一个清楚的频率范围和在多种温度将是关键的。 聚合材料的 AFM 研究可以被进行不仅在周围温度，而且在高温，如上面的例子所显示 (图 8-9)。 最近，研究被扩展了往低温： 一份多成分的聚合材料的想象的示例在图 12a.c 存在。 这些图象在屋面材料范例得到了在不同的温度的。 阶段图象的对比在 T = -10ºC 区分另一个聚合物一个据推测橡胶矩阵和更加困难的域，有特定形态学。 阶段对比消失了在 T = -35ºC，域变得可视在高度图象，很可能，由于在要素的热量收缩上的区别。 
图 12。 屋面材料的高度 () 和阶段 (正确的) 图象在不同的温度的： (a) 25°C， (b) (- 10°C) 和 (c) (- 35°C)。 在屋面材料的不同的要素上机械性能的变化与温度的在这些图象被反射。 这帮助分析范例形态学。 一个更早的研究，在一系列的嵌段共聚物被进行，显示出，一份异种聚合材料的要素的分化是达到的最好，当想象执行在一个要素的玻璃转移g(t) 上的温度和在g另一个要素的 T 下时。 聚合材料的增长的渗透到这个半导体里，数据存储和平板行业、执行的考试和这些材料半导体的属性在小规模成为一个重要研究领域。 AFM 关连的技术的功能例如电力显微学 (EFM)，表面潜在的显微学和执行和挖洞 AFM 还要充分地测试。 因为这些方法的应用程序实例我们考虑聚合物混合的图象充满炭黑 (CB) - 热塑性塑料的硫化橡胶，在图 13a.c 显示。 此研究的范例准备与 cryo 超薄切片机。 在图 13a 的高度图象显示表面地势其中一个范例地点。 很大数量明亮的微粒很可能存在钶微粒，在这个范例被分配。 当扫描探测浏览略高于范例表面，在图 13b 的 EFM 阶段图象在同一个地点得到了。 在此图象的黑点指示执行的地区充满钶，造成渗透网络负责对此范例传导性。 钶微粒，由他们的维数 (40-60nm) 是可认识的，没有被限制到黑暗的地区。 这意味着嵌入微粒的部分仅仅造成渗透网络。 
图 13。 (a) 在开发的模式下得到的热塑性塑料的硫化橡胶的高度图象。 (b) 地点的阶段图象和一样 (a) 获得的在电力与 20nm 探测推力的显微学模式下。 (c) 地点的表面潜在的图象和一样 (a) 的。 在图 13c 的图象在同一个表面地点显示表面潜在的配电器。 明亮的地点 (在图象的左边) 可以被分配到表面更改。 其中每一个图象可以是无价的在材料和他们的相关性电属性描述特性与形态学和结构的补充情报。 |