| 最初介紹作為輔助部件給瀏覽的挖洞顯微學 (STM)，基本強制顯微學 (AFM)成為用於學術和產業研究寬廣地的一個先進和多數重要的掃描探測技術。 AFM 一個優越功能 - 表面的高分辨率形象化 - 定義了大多其應用。 一方面， AFM 顯微鏡為各自的分子毫微米縮放比例對象的想像和處理被使用。 另一方面，他們廣泛申請在 AFM 使用為地面粗糙度評定和為技術上重要表面結構形狀/配置文件定量考試，例如 DVD 和 CD 的模式的一定數量的行業的質量管理。 在過去十年中，許多研究員與軟的問題一起使用 (生物對象和聚合物) 認可了此方法的重要性。 毫微米縮放比例功能一樣小像各自的大分子，他們的集合和較大規模的形態學，在 AFM 圖像可以容易地被認可。 另外，這個情況 AFM 探測的僵硬與聚合材料的僵硬是可比較的使成為可能區分用不同的機械性能的範例地點。 這樣，異種聚合材料多種要素在圖像可以被識別。 許多年，聚合物範例的考試與 AFM 的執行在四周情況和在液體下。 這些研究最近延伸到不同的溫度。 照此， AFM 可以使用為熱量轉移導致的結構變化原地監控和為結構轉換的形象化脹大的和其他作用造成的。 此應用註解存在幾種小說 AFM 應用對聚合物。 AFM 實驗的優化 與其他微觀技術比較， AFM 仍然在其初期。 AFM 的功能，特別是在軟的材料的研究中，不斷地擴展與手段的持續的發展和研究員的增長的實踐經驗。 最近有助發展包括更加準確的致動器和更加敏感的探測器設計，新的操作方式和專門化的探測。 特別地，也有整體顯微鏡設計，并且降低其熱量偏差的進一步改善的空間。 在實用的 AFM 應用，是源遠流長的開發的模式成像技術是更可取的對聯繫模式技術。 根據想像需要，應該調整試驗條件對高分辨率和柔和描出表面功能或為異種聚合物系統不同的要素的大反差形象化 (聚合物混和，嵌段共聚物，聚合物綜合)。 在開發的模式下，更改高度自由擺動的探測 (A0) 和調整點高度變化技巧範例強制交往的級別 (Asp)，以及通過使用與另外僵硬的探測。 例如，低強制想像 (輕開發) 通過適用軟件達到探查 (僵硬低到 0.3 N/m)，使用小的 A0和 Asp接近 A。0 這些情況對軟的材料非破壞性，高分辨率想像是有利。 一個好標準光開發是想像，配合的探測階段是接近其在自激振盪的階段。 在高的技巧範例強制的運算，通過使用僵硬的探測，可以達到sp通過降低 A0，增長的 A 和，為各自的要素作文想像是最佳的在異種材料的。 在許多情況下，各自的要素由在階段圖像的另外對比區分。 對於多成分的材料作文想像與橡皮要素的，最顯著的階段對比通常達到在困難開發的情況 (A0= 80-100nm， Asp= 40-50nm，與 ~40 个 N/m 僵硬的探測)。 在艱苦開發與橡皮頂層的聚合物範例，它因而探查表層下結構的這個技巧壓下範例和甚而擊穿到他們。 當橡膠範例想像高於 100nm 執行與 A 和 A 一樣小像05nm 時，技巧滲透可能sp到達數百毫微米。 聚合物結構高分辨率想像 當前， AFM 最終解決方法的問題仍然是一開放一個。 從期初，在聯繫模式下得到的 AFM 圖像顯示了有機和無機化合物表面晶體格子，但是無法顯示查出的分子縮放比例缺陷 (真的分子解決方法)。 使用在 UHV 的振動 AFM 模式允許與真的基本解決方法的想像對一定數量的水晶表面，并且甚而子埃想像達到。 近來，真的分子解決方法在航空的開發的模式下是有問題的。 使用新穎的超鋒利的探測和一臺 AFM 儀器有低熱量偏差的使此成為可能。 開發與真的分子解決方法的模式想像的示例，在 polydiacetylene (PDA) 水晶的研究中獲得，在表 1. 被展示。 此聚合物有草圖存在的一種化學結構。 頂面 (BC 平面) 其水晶由鏈副組的最終分子細分市場形成，在與主要參數的一個長方形細胞被包裝： b = 0.491nm 和 c = 1.410nm。 PDA 水晶顯示的此圖像不僅正常格子，與晶體結構是一致的 BC 表面，而且分子大小缺陷。 這個圖像得到了與超鋒利的探測，由碳峰值等離子協助解決的證言在 Si 被銘刻的探測的尖頂的準備。 此探測的值不僅在表面表明與一個期望的分子或 atomicscale 命令，而且在少被命令的在毫微米縮放比例的表面和毛孔高分辨率想像與槽紋的。 此的 TEM 微寫器探測、定期地使用的 Si 被銘刻的探測和新穎的金剛石探測在圖 2a.c 收集。 與子10nm 尖頂範圍的這樣探測為分子縮放比例想像是無價的。 
圖 1. (a) 化學結構、水晶形狀和晶體秩序草圖在 BC 平面用於高分辨率 AFM 想像 (PDA) 的 polydiacetylene 的。 (b) - (c) 高度圖像的 BC 表面在航空的開發的模式下獲得的 PDA 水晶。 碳峰值探測用於實驗。 圖像顯示表面組和一個分子縮放比例缺陷一個被定購的裝箱。 圖像在一個 10 Min. 間隔內的同一個地點被記錄了。 這個缺陷的班次與 ~0.6nm/min. 有關熱量偏差。 
圖 2. AFM 探測 TEM 微寫器。 (a) 碳峰值增長在 Si 被銘刻的探測尖頂; (b) 被銘刻的 Si 探測; (c) 金剛石技巧。 TEM 微寫器和金剛石打翻 - 禮貌 B. Mesa (MicroStar 技術)。 一定數量的峰值出現在探測 (圖 2a) 的肢的實行確定限制給他們的使用。 相對地應該學習平面的範例以這樣探測避免多個峰值的同時交往與範例表面的。 鋒利的峰值的脆弱的本質也要求柔和從事和想像程序。 這些前提條件是較不過分要求的一旦 Si 被銘刻的探測，并且金剛石探查，尖頂維數可以在這個子10nm 範圍。 除使用鋒利的探測以外，與低熱量偏差的 AFM (在 0.5nm/min 下) 對分子縮放比例想像是重要在開發的模式下由於內在緩慢的掃描對此方法。 使用此 lowthermal 偏差儀器，分子縮放比例解決方法在一塊針對的聚四氟乙烯 (PTFE) 層的圖像也達到，并且使用正常 Si 的液體水晶材料銘刻了探測 (圖 2b) 和金剛石探測 (圖 2c)。 PTFE 的高分辨率圖像在圖 3a-b 顯示。 與步驟的平面的水晶大陽臺在高度的 0.56nm 被看見在表面此層 (圖 3a)，由在玻璃基體的熱摩擦準備。 
圖 3. (a)在航空的開發的模式下 PTFE 層得到的高度圖像。 在圖 3a-b 的頂部顯示的更高的放大圖像在地點得到了標記用虛線。 被銘刻的 Si 探測用於實驗。 這表明表面被形成唯一分子頁。 這個 10 nm 地點 (頂部的高分辨率圖像) 顯示與 0.56 nm 間隔的各自的聚合物鏈子。 也有一定數量的缺陷，一些在圖 3b 被擴大化。 圈子指示的脫臼缺陷由 PTFE 鏈子做成，從一分子頁延長到另一個。 分子縮放比例想像的一個示例在表 4 还存在，星狀分子一塊鍛煉的層的圖像在 Si 基體的收集。 形態學模式，在圖 4a 的大規模圖像被看到，為液體水晶材料是公用的。 在平面的域，一个可能區分與幾乎正交格子的一個水晶命令，描繪為重複距離 3.4nm 和 3.6nm。 AFM 圖像的比較與 X 光分析的結果的將幫助顯示在此層的分子裝箱。 
圖 4. (a) - (c) 在液體水晶材料表面得到的高度圖像在開發的模式下在航空。 圓盤形的星形分子化學結構草圖形成此材料的在 (a) 的插入顯示。 第 2 FFT 圖像的能譜在 (b) 的在插入顯示。 圖像的下半在 (c) 的在過濾以後顯示。 被銘刻的 Si 探測用於實驗。 微觀和 nanoscopic 對象在圖像比他們的特定形狀和維數被認可由更多。 唯一大分子的形象化，根據證言他們的與基體的交往程序和特定採用不同的分子相應一致，是其中一個最扣人心弦的 AFM 功能。 脫氧核糖核酸大分子的 AFM 研究，例如，成為這個定期程序超過 10 年前。 在不同的技巧強制的想像經常導致圖像對比反射局部機械性能的差異，并且此程序可以被運用於唯一大分子。 當想像在雲母 (圖 5b-c) 時安置的脫氧核糖核酸大分子執行在不同的強制，表示這個大分子的這個結構的對比強調其整體形狀或一個更加嚴格的核心，嚴密地有側面維數與脫氧核糖核酸相應的期望的範圍。 
圖 5. (a) - (c) 脫氧核糖核酸大分子的高度圖像在雲母的。 在 (b) 和 (c) 的圖像在不同的技巧強制的同一個地點得到了。 (d) - (f) 液體水晶 carbosilane dendrimer 大分子的高度圖像在 Si 基體的。 這些分子化學結構的草圖在 (d) 的插入顯示。 在 (e) 和 (f) 的圖像在不同的技巧強制的同一個地點得到了。 在另一個示例 (圖 5d-f) 中，範圍 5nm 在大小上表示 carbosilane dendrimer 各自的大分子，在 Si 基體存款。 這些大分子綜合的想像在不同的強制的向顯示大分子的外部從明亮更改其對比到黑暗，當技巧強制增加，圖 5e-f。 在同樣條件，大分子的核心依然是明亮，指示其更高的剛度與分子的周圍比較。 此結果對應於高密度分子的中央部分，由分子動力學模擬確認。 在兩種情況下，技巧強制導致的圖像更改是可逆的并且反射局部機械性能的差異。 對各自的綜合聚合物分子的研究的 AFM 的使用展示的首先由唯一鏈子的形象化多 (苯乙烯) - b 多 (methylmethacrylate) 嵌段共聚物和是通過監控濕氣差異造成的他們的相應一致的更改。 此工作由唯一 dendrimer 分子、大分子畫筆和聚合物與迷你樹狀組觀察與 AFM 應用的一個迅速地增長的編號跟隨。 對於這樣研究，唯一大分子在所選的基體 (雲母、硅片、玻璃、石墨等等) 典型地存款從非常稀溶液。 基體選擇為修理的大分子和解開的聚合物鏈子是重要的。 解開也許由最終烷基外延對石墨的協助解決，在烷和聚合物分子的研究顯示了與迷你樹狀副組。 唯一大分子想像不是一個瑣細的程序，并且一個人可能期待在推導各自的大分子的正確的範圍的困難從 AFM 圖像。 當想像查出在基體時的毫微米縮放比例對象，避免技巧形狀的捲積與大分子的形狀的，以及唯一大分子的可能的技巧誘發的變形是相當難。 應該考慮到這些作用在對查出的延長的鏈子的寬度和高度的分析期間從 AFM 圖像的，這些大分子的整體形狀外觀和等高長度在圖像更加正確地被再生產。 所以，圖像可以使用為大分子相應一致的評估在不同的基體的和為分子長度直方圖的建築，關於分子量分佈的直接情報。 示例的 AFM 如何可以是應用的為對大分子的構像分析在不同的基體和散裝在 polyphenylacetylene 大分子的研究中得到了與迷你樹狀組 (圖 6a) 的。 
圖 6. (a) 化學結構與迷你樹狀組的 polyphenylacetylene 和這些分子外觀的草圖散裝在 X 光分析基礎上。 這些大分子的高度圖像在批量聚合物的破裂表面的抽樣 (b)，在雲母 (c) 的一個唯一分子域和在石墨 (d) 和 (e)。 在 (c) 插入的編號指示被標記的四個分子的長度與在圖像的一條空白線路。 在圖像的紅色箭頭在 (d) 顯示其中一在石墨的分子棧。 散裝，這些大分子在一個六角格子被安排，并且各自的鏈子直徑，由在 「夾克」包裹的這個核心形成迷你樹狀組，是在 5nm (X-射線數據) 附近。 被定購的鏈層，觀察與在一個批量範例的破裂表面的 AFM，陳列步驟高度 (4.5nm) 等於對大分子的直徑。 4.9nm 間隔被找到在一個頂面的圖像看見的唯一鏈子之間此範例 (圖 6b)。 這些維數是接近鏈直徑 (5.0nm) 確定與 X 光分析。 聚合物鏈子的 AFM 圖像在雲母和石墨的在圖 6c-d 顯示。 ~4.5nm 鏈間隔，從聚合物綜合的圖像是確定的在雲母的，與在破裂表面的分子層找到的那是類似的。 當大分子在石墨存款，他們的外延導致了沿這個基體的主要晶體軸的鏈對準線，圖 6d。 大分子的寬度在石墨的如被測量用三不同棧 (其中之一是由紅色箭頭表示的) 在此圖像是大 (6.5-6.6nm) 比在雲母。 充分地也減少大分子的高度在石墨 (~0.79nm) 的與那比較在雲母和在破裂表面。 這些觀察建議聚合物鏈子在石墨被鋪平，但是保留在雲母的幾乎圓柱形形狀。 大分子自集合在基體的進行作為他們的解決方法，濃度為證言使用，增量。 因為他們可以承受技巧強制更好比唯一大分子，被包裝的大分子域在基體的在 AFM 可以更加容易地被觀察。 從對大分子自集合的 AFM 圖像的分析提出在不同的基體的主要問題有關大分子交往和那些的互相作用在聚合物層內的在大分子和基體之間。 後者典型地影響在位於立即在這個基體的一塊或幾塊層的大分子命令。 在層內的分子間的交往在聚合材料起源於不同的 mesogen 組，并且也許控制沒有與層接近度的相關性與這個基體。 幾個有趣結果在烷和聚乙烯層的 AFM 研究中得到了 (PE)在石墨的。 什麼在烷的 AFM 圖像被看見是主街上的疊更以另外對比在高度或階段圖像。 C H， C H1838和 C36H74烷的 AFM60圖像122 在圖 7a.c 的顯示出，主街上的寬度與聚合物鏈子的長度相符。 到目前為止，顯示各自的烷鏈子的 AFM 圖像不知道，而單個的形象化 - CH2-組在烷層的 STM 圖像通常達到在液體固定的界面的與石墨。 在 AFM 圖像，末端的一些 - 在3薄片狀邊緣的 CH 組典型地被看到作為黑線。 此分配由想像 C H390層782確認 (圖 8a-d) 在高度和階段圖像上的可逆變化被觀察了的地方，當變化技巧範例強制交往。 
圖 7. (a) - (c) C H， C18H38和 C36H74在石墨的60烷的122階段圖像層。 
圖 8. (a) - (b) 超長的烷在輕開發得到的石墨的 C H 的高度 ()390和782階段 (正確的) 圖像。 (c) - (d) 地點的高度 () 和階段 (正確的) 圖像和一樣 (a) 和 (b) 的獲得在艱苦開發。 所有圖像得到了在 T=130°C。 其中一個局部缺陷與形成在相鄰的薄片狀絲帶之間的烷分子有關一座橋梁指示與在 (c) 的一個圈子。 在輕開發，高度圖像表示表面地勢; 因此， - CH 末端組3烷，龐大比 - CH 組站點2-，被看見高。 對應的階段圖像的一個微不足道的對比確認低技巧範例強制交往。 當技巧強制增加 (艱苦開發) 時，地區的可能的技巧變形的更加移動 - CH3組做這些地點看上去黑暗在高度和階段圖像; 因此，圖像表示烷層的薄片狀命令在石墨的并且幫助形象化多種缺陷。 一個這樣缺陷，與形成在相鄰的薄片狀絲帶之間的烷分子有關一座橋梁，在圖 8d 被指出。 聚合物範例的研究在高溫的可能產生關於被吸附物層的組織的無價的信息在不同的基體的。 特別地，我們的在不同的長度烷層高溫想像的工作 (從 C18對38C H)390和782聚乙烯的 H (PE) 在石墨向顯示在融解基體界面的命令保留在充分地超出相關水晶的熔化的溫度的溫度。 在這樣評定，這個技巧通過融解擊穿并且到達位於立即在這個基體的這塊薄片狀層。 結構上的重新整理進行在高溫 C H 烷和 PE 的圖像390顯示的782這個方式在圖 9a-f 上。 
在石墨的圖 9. (a) - (c) 超長的 C H 的390高度782圖像在石墨分層堆積在 155°C. (d) - (f) 高度圖像聚乙烯層在 150°C。 一旦 C390H782層 (圖 9a.c。)，在這個溫度到達了 155°C 後，這個中間大陽臺的之字形型鱗片首先更改了到更加平直的形狀然後再改方向沿大陽臺邊緣。 這些疊更反射幾交往互相作用在層內的分子之間和烷分子和這個基體之間。 更加龐大 - CH3末端組強制執行下滑鏈子關於導致鱗片的之字形形狀的彼此。 溫度增量，分子流動性被提高了，并且足够的空間變得可用為相鄰的鏈子的末端組。 這也許解釋調直鱗片。 增加的分子流動性也挑釁了烷鏈子的註冊表損失與其中一個的石墨的主要方向。 結果，薄片狀絲帶沿大陽臺邊緣擇優地對齊。 一旦 PE 層 (圖 9d-f)，薄片狀域，陳列沿這個基體的主要軸的一個明確定義的取向 (留下圖像)，逐漸丟失此外延排列由於進一步增加的分子流動性 (中間和正確的圖像)。 材料、各自的鱗片損失這個薄片狀命令 (參見正確的頂部角落的正確的圖像) 和破損的持續的 isotropization 到塊裡是在此進程中按照的局部鏈行動的結果。 映射多成分的聚合材料 因為通過適當混合不同的聚合物和補白一能設計與理想的屬性的材料多成分的聚合材料是用途廣泛在許多行業。 沒有微觀分析，在這樣材料的結構屬性關係是難瞭解。 AFM 是非常有用的在此分析在從數百的縮放比例微米對毫微米。 各自的要素特定在他們的機械和電屬性上的形狀以及變化在 AFM 圖像給他們區分與互相。 二 nanocomposites 的與 Si 微粒的圖像，與黏土的 polyparaxylylene 和聚丙烯，在圖 10a-b 顯示。 Si 微粒，被看到，當與變化在這个 5-10nm 的半徑的小的範圍排列，在聚合物矩陣被分散。 層狀黏土礦物小的頁，有些在綜合，被看見邊緣在結構在圖的 10b 幾個地點。 綜合出現表明剝落進程，可能分隔補白到與下來厚度的多個頁到分子範圍，未被優選。 
圖 polyparaxylylene 的 10. 階段圖像用 Ag 微粒 (a) 和聚丙烯裝載了充滿黏土微粒 (b)。 往各自的 nanoparticles 的高分辨率觀察的進一步工作成績在子 100 nm 圖像的將是相當理想的不僅為形象化他們的在這個矩陣的配電器，而且為確定 nanoparticles 特定形狀在多成分的材料和他們適當的分配的，現在是相當困難的。 microphase 的形象化分隔形態學 (球狀，圓柱形，薄片狀或者 micellar) 嵌段共聚物，描繪為在這個 5-50nm 範圍的結構上的參數，是其中一個在 AFM 應用的定期程序。 不同的要素域，由於聚合物混合的分相，被形成，特點是更加大號。 AFM 提供不同的變粗的進程的實際空間觀察并且允許階段體積分數的直接域多種形態學界面曲度的量化和計算。 在嵌段共聚物和聚合物混合上的 AFM 圖像的對比變化與在這個要素的機械性能上的區別有關。 AFM 允許局部機械性能的研究在縮減對亞微型通過檢查強制曲線用不同的範例地點。 圖像在表 11 向顯示聚合物屬性宏觀測試可能延伸到 nanoscale，對發展是重要在納米技術方面。 強制曲線存在偏折與距離 (DvZ) 或高度與距離 (AvZ) 相關性。 在對軟的材料的申請，當這個技巧擊穿範例和實際上損壞這個表層時， DvZ 曲線經常被記錄。 
圖 11. (a) - (b) 強制顯示用不同的機械性能的 500nm 和 100nm 多苯乙烯 b 聚丁二烯 b 多苯乙烯影片區數量映射表面地點。 作為一个的更加明亮的區標記用綠色交叉描繪的是為 AvZ 曲線下面顯示的 (a) 和公用多苯乙烯的; 作為一个的更加黑暗的區標記用跨的藍色 AvZ 曲線下面顯示的 (b) 和公用聚丁二烯的。 AvZ 曲線的評定，是較不破壞性的和描繪的是為更小的技巧範例區，適用於與 1nm 的史無前例的解決方法的探通的表面機械性能。 這在圖 11a-b 被展示由強制數量映射，被編譯 128x128 一些在多苯乙烯塊聚丁二烯blockpolystyrene (SBS) triblock 共聚物薄膜表面收集的 AvZ 曲線。 表示技巧交往的曲線用多苯乙烯和聚丁二烯塊是不同的 (圖 11a- b); 在映射的不同的對比反射在必要的 Z 旅行上的變化阻止配合的探測的高度到運算符選擇的觸發器級別。 這樣實驗允許不同的塊佔用的表面地點的準確的確定并且提供實驗數據為提取的定量數據 nanomechanical 設計，當前是一個富挑戰性的問題在仔細考試下。 在聚合物的 nanomechanical 描述特性進一步擴大與 AFM 的，檢查不同的聚合物系統黏彈性回應在一個清楚的頻率範圍和在多種溫度將是關鍵的。 聚合材料的 AFM 研究可以被進行不僅在周圍溫度，而且在高溫，如上面的例子所顯示 (圖 8-9)。 最近，研究被擴展了往低溫： 一份多成分的聚合材料的想像的示例在圖 12a.c 存在。 這些圖像在屋面材料範例得到了在不同的溫度的。 階段圖像的對比在 T = -10ºC 區分另一個聚合物一個據推測橡膠矩陣和更加困難的域，有特定形態學。 階段對比消失了在 T = -35ºC，域變得可視在高度圖像，很可能，由於在要素的熱量收縮上的區別。 
圖 12。 屋面材料的高度 () 和階段 (正確的) 圖像在不同的溫度的： (a) 25°C， (b) (- 10°C) 和 (c) (- 35°C)。 在屋面材料的不同的要素上機械性能的變化與溫度的在這些圖像被反射。 這幫助分析範例形態學。 一個更早的研究，在一系列的嵌段共聚物被進行，顯示出，一份異種聚合材料的要素的分化是達到的最好，當想像執行在一個要素的玻璃轉移g(t) 上的溫度和在g另一個要素的 T 下時。 聚合材料的增長的滲透到這個半導體裡，數據存儲和平板行業、執行的考試和這些材料半導體的屬性在小規模成為一個重要研究領域。 AFM 關連的技術的功能例如電力顯微學 (EFM)，表面潛在的顯微學和執行和挖洞 AFM 還要充分地測試。 因為這些方法的應用程序實例我們考慮聚合物混合的圖像充滿炭黑 (CB) - 熱塑性塑料的硫化橡膠，在圖 13a.c 顯示。 此研究的範例準備與 cryo 超薄切片機。 在圖 13a 的高度圖像顯示表面地勢其中一個範例地點。 很大數量明亮的微粒很可能存在鈳微粒，在這個範例被分配。 當掃描探測瀏覽略高於範例表面，在圖 13b 的 EFM 階段圖像在同一個地點得到了。 在此圖像的黑點指示執行的地區充滿鈳，造成滲透網絡負責對此範例傳導性。 鈳微粒，由他們的維數 (40-60nm) 是可認識的，沒有被限制到黑暗的地區。 這意味著嵌入微粒的部分僅僅造成滲透網絡。 
圖 13。 (a) 在開發的模式下得到的熱塑性塑料的硫化橡膠的高度圖像。 (b) 地點的階段圖像和一樣 (a) 獲得的在電力與 20nm 探測推力的顯微學模式下。 (c) 地點的表面潛在的圖像和一樣 (a) 的。 在圖 13c 的圖像在同一個表面地點顯示表面潛在的配電器。 明亮的地點 (在圖像的左邊) 可以被分配到表面更改。 其中每一個圖像可以是無價的在材料和他們的相關性電屬性描述特性與形態學和結構的補充情報。 |