扫描探针显微镜对几种纳米材料的结构表征研究

1982年，Gerd Binning及其合作者在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，其发明人Binning 因此获得1986 年的诺贝尔物理奖。扫描隧道显微镜的工作原理是：当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子有波动性，两者的波函数相互叠加，故在两者间会产生电流，该电流称为隧道电流，且该隧道电流在纳米级的距离下随距离的变化非常显著。

STM就是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构；对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且导电薄膜会掩盖样品表面的许多细节，因而使得STM的应用受到限制。为了克服STM的不足，Binning、Quate和Gerber于1986 年研制出了原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)。AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力) 来获得物质表面的形貌信息。

 因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，其应用领域更为广阔。AFM得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌，可以补充STM观测的样品信息，且分辨率亦可达原子级水平，其横向分辨率可达0.1nm，纵向分辨率可达0.01nm。STM和AFM及其它一些相关产品统称为扫描探针显微镜（scanning probe microscope, SPM）。

自扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）发明以来，其在机械学、材料学、电子学以及原子、分子操纵[1-2]和表面科学[3-4]等领域的研究中得到了广泛的应用。本文采用国产的本原CSPM3000扫描探针显微镜对几种材料进行了表面表征分析工作，其工作环境为：环境温度为20~25℃，湿度为40~50%。

1. 原子力显微镜在催化纳米材料表征中的应用

将催化剂颗粒用溶胶-凝胶法固定在基片上，用原子力显微镜扫描可清楚地观察到催化剂颗粒的大小、形状及其在基片上的分布状况。运用后处理软件可进行粒度分析，得到其粒度分布的信息。图1为氧化锌颗粒在玻璃片上的AFM图，图中可以看到颗粒的分布比较均匀，通过图3(a)的分析可知该催化剂颗粒的平均粒径为52.2nm，高度为53.6nm。积分得到颗粒面积集中分布在500~3500nm2之间，即若颗粒为球型，则颗粒直径则主要分布在25~75nm之间，如图3(b)所示。图2为经过其它方法处理并镀膜得到的氧化锌颗粒的AFM图像，其粒径分布在10nm左右，颗粒粒径较小，则其分布更加均匀，这有利于提高氧化锌催化剂的催化性能。

2. 原子力显微镜在乳胶材料表征中的应用

乳胶颗粒的大小分布是影响其性能的关键，用原子力显微镜可对其颗粒生长进行监测和分析，协助研究胶粒控制及乳胶成膜机理等。乳胶的AFM表征如图4、图5和图6所示。