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原子力顯微鏡及聚合物微觀結構與性能

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作者:王東
出版社:科學出版社出版時間:2022-02-01
開本: 16開 頁數: 172
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原子力顯微鏡及聚合物微觀結構與性能 版權信息

  • ISBN:9787030714091
  • 條形碼:9787030714091 ; 978-7-03-071409-1
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

原子力顯微鏡及聚合物微觀結構與性能 內容簡介

本書為“高性能高分子材料叢書”之一。原子力顯微鏡是一種具有高空間分辨率,可在大氣、真空及液體環境下用于研究各種物質表面結構和微區性能的表征設備,目前已成為研究聚合物微觀結構與性能的*重要的工具之一。本書共9章,全面地介紹了原子力顯微鏡的發展歷史、儀器學、基礎及衍生成像模式的基本原理,以及這些成像模式在解決聚合物從單鏈構象到結晶結構、從納米尺度黏彈性到復合材料界面調控等關鍵基礎科學問題中的典型應用

原子力顯微鏡及聚合物微觀結構與性能 目錄

目錄
第1章 掃描探針顯微鏡概述 1
1.1 顯微鏡發展簡史 1
1.2 掃描探針顯微鏡的工作原理 3
1.3 掃描探針顯微鏡的特點 6
參考文獻 8
第2章 原子力顯微鏡 10
2.1 儀器結構與成像原理 10
2.1.1 探針掃描系統 11
2.1.2 力檢測與反饋控制系統 15
2.1.3 隔振降噪系統 17
2.2 探針-樣品間相互作用力 18
2.3 AFM基礎成像模式 19
2.3.1 接觸模式 20
2.3.2 輕敲模式 21
2.3.3 峰值力輕敲模式 24
2.3.4 非接觸模式 25
2.4 AFM衍生成像模式 26
2.4.1 掃描熱顯微鏡 26
2.4.2 靜電力顯微鏡 27
2.4.3 磁力顯微鏡 30
2.4.4 摩擦力顯微鏡 30
2.4.5 開爾文探針力顯微鏡 31
2.4.6 壓電力顯微鏡 32
2.4.7 導電原子力顯微鏡 33
2.4.8 光導原子力顯微鏡 34
參考文獻 34
第3章 輕敲模式在聚合物微觀結構及其動力學研究中的應用 37
3.1 聚合物表面分子動力學 37
3.2 嵌段共聚物自組裝 38
3.3 聚合物單鏈構象 41
3.4 聚合物刺激響應行為 44
3.5 聚合物界面反應動力學 45
3.6 聚合物次表面結構 46
參考文獻 48
第4章 AFM納米力學圖譜及其應用 53
4.1 引言 53
4.2 接觸力學 55
4.2.1 非黏附Hertzian接觸模型 56
4.2.2 Bradley剛體黏附接觸模型 57
4.2.3 Johnson-Kendall-Roberts黏附接觸模型 57
4.2.4 Derjaguin-Muller-Toporov黏附接觸模型 58
4.2.5 Tabor數與Maugis-Dugdale黏附接觸模型 59
4.2.6 黏附圖 60
4.3 AFM納米力學圖譜 61
4.4 AFM納米力學圖譜應用 62
4.4.1 聚合物納米纖維 63
4.4.2 聚合物薄膜 64
4.4.3 聚合物共混物及復合材料 65
參考文獻 71
第5章 AFM納米流變及其應用 76
5.1 引言 76
5.2 基于力調制模式納米流變 77
5.3 基于接觸共振模式納米流變 79
5.4 基于AFM force volume模式納米流變 81
參考文獻 87
第6章 AFM-IR及其應用 90
6.1 引言 90
6.2 AFM-IR的工作原理 92
6.3 AFM-IR的應用 94
6.3.1 多組分聚合物體系中定性和定量分析 94
6.3.2 聚合物復合材料界面 99
6.3.3 聚合物老化 100
6.3.4 聚合物-藥物相容性 102
6.3.5 聚合物其他微觀結構的表征 103
參考文獻 105
第7章 AFM在高分子結晶研究中的應用 109
7.1 高分子成核 109
7.1.1 均相成核與自誘導成核 109
7.1.2 流動誘導成核 112
7.2 結晶與熔融過程 114
7.2.1 結晶過程原位表征 114
7.2.2 晶體的熔融過程 116
7.2.3 嵌段共聚物受限結晶 118
7.3 結晶形態結構分析 120
7.3.1 結晶結構的確定 120
7.3.2 高分子片晶不穩定生長 122
7.3.3 超薄膜中高分子片晶生長取向轉變 124
7.3.4 片晶尺度結構與性能關系 127
參考文獻 129
第8章 AFM在聚合物太陽能電池研究中的應用 140
8.1 薄膜活性層形貌 141
8.2 電學特性 143
參考文獻 148
第9章 AFM假像與測量誤差 152
9.1 針尖效應 152
9.1.1 展寬與窄化 153
9.1.2 雙針尖或多針尖效應 153
9.2 壓電陶瓷掃描器效應 154
9.2.1 蠕變效應 154
9.2.2 遲滯效應 156
9.2.3 交叉耦合效應 156
9.2.4 老化效應 156
9.3 參數設置 158
9.4 側向分辨率 159
9.4.1 針尖幾何參數 159
9.4.2 彈性形變 161
9.4.3 像素數 162
9.5 其他引起假像的因素 162
9.5.1 熱漂移 162
9.5.2 光學干涉 162
9.5.3 機械振動和噪聲 163
9.5.4 污染 163
9.6 AFM納米力學性能測量誤差 164
9.6.1 針尖曲率半徑 164
9.6.2 微懸臂彈性系數 165
9.7 AFM樣品制備 167
9.7.1 溶液涂膜 167
9.7.2 冷凍超薄切片 168
9.7.3 液相樣品制備 168
參考文獻 168
關鍵詞索引 171
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原子力顯微鏡及聚合物微觀結構與性能 節選

第1章掃描探針顯微鏡概述 1.1 顯微鏡發展簡史 顯微技術是人類認識材料微觀結構的重要途徑。從17世紀初光學顯微鏡(optical microscope,OM)的發明,到20世紀30年代的電子顯微鏡(electron microscope,EM),再到本章將要介紹的、誕生于20世紀80年代的掃描探針顯微鏡(scanning probe microscope,SPM),無一不體現了人類在探索物質結構領域的不懈努力。 眼睛是人類認識微觀世界的**臺“光學儀器”。然而,由于構造上的限制,一般而言,人眼的空間分辨率(resolution)只能達到0.2 mm,即當兩個物體間距離小于0.2 mm時,肉眼就很難將其區分出來。光學顯微鏡的問世極大地擴展了人類的觀察視野。1675年,荷蘭貿易商和生物學家安東尼 范 列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek,1632—1723)利用光學顯微鏡首次觀察到了微小的原生動物和紅細胞,以此開啟了人類使用儀器設備來研究分析微觀世界的新紀元。此后,通過不斷提高和改善透鏡的性能,光學顯微鏡的放大倍數可達1500倍左右。光學顯微鏡的發明,極大地擴展了人類的觀察視野,是人類認識物質世界的一次巨大突破。因此光學顯微鏡被稱為**代顯微鏡。根據光學成像的原理,顯微鏡的分辨率取決于可見光的波長。而可見光的波長范圍為400~760 nm,因此,光學顯微鏡的理論*高分辨率大約為200 nm,其觀察能力僅局限在細胞尺寸的水平上[1-3]。 由光學成像理論可知,為進一步提高顯微鏡的分辨率,唯有利用波長更短的光源成像。20世紀20年代電子波粒二象性概念的提出,使人們尋找到了波長更短的“光”——電子,同時電子在磁場中運動的理論為電子束聚焦提供了理論依據。在此基礎上,1931年,馬克斯 克諾爾(Max Knoll,1897—1969)和恩斯特 魯斯卡(Ernst Ruska,1906—1988)制成**臺二級電子光學放大鏡,實現了電子顯微鏡的技術原理。再經過對儀器的不斷改進,1933年,魯斯卡等獲得了鋁箔和棉絲的放大率為12000倍的圖像,制造出了世界上**臺透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)。此后,掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)等也相繼被制造出來并實現了商業化。電子顯微鏡通過電子束而不是光束進行成像,突破了光源波長的限制,其空間分辨率可達0.1 nm。電子顯微鏡的高分辨率、可與其他技術聯用的優勢,使其在材料學、物理、化學和生物學等領域有著廣泛的應用,是20世紀*重要的發明之一,被稱為第二代顯微鏡。魯斯卡由于在電子光學的基礎研究和設計電子顯微鏡方面的杰出貢獻,獲得了1986年諾貝爾物理學獎。 20世紀微電子學的快速發展迫切需要具有更高分辨率的顯微表征技術。例如,從分子、原子尺度認識材料的微觀結構并理解其與材料性能間的相互關系。電子顯微鏡雖然具有很高的分辨率,但20世紀80年代時還遠未達到原子級分辨率。1981年,IBM蘇黎世實驗室的物理學家格爾德 賓寧(Gerd Binnig,1947—)和海因里希 羅雷爾(Heinrich Rohrer,1933—2013)利用全新的顯微鏡工作原理——電子隧道效應,制造出了放大倍數可達3億倍、側向分辨率可達0.01 nm的新型顯微鏡——掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope,STM)[4,5],從而使人類首次能夠真正實時地觀測到單個原子在物體表面的排列方式以及與表面電子行為有關的物理、化學性質。然而,STM的信號是由導電探針針尖與樣品之間的隧道電流變化決定的,所以該技術只能研究導體或半導體樣品。為了克服對樣品導電性的限制,Binnig等在STM的基礎上,于1986年成功研制了原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)[6]。AFM通過探測微小探針針尖與被測樣品表面間微弱的相互作用力來獲得物質表面形貌與性能信息,從而不再受樣品導電性的限制,且側向分辨率可達0.1 nm。隨后,在STM和AFM工作原理基礎上,相繼發展出了用于表征其他表面性能信息的一系列顯微技術(表1.1)。例如,用于表征表面光學性能的掃描近場光學顯微鏡(scanning near-field optical microscope,SNOM)、用于表征表面磁學性能的磁力顯微鏡(magnetic force microscope,MFM)、用于表征電學性能的掃描電化學顯微鏡(scanning electrochemical microscope,SECM)及用于表征表面熱學性能的掃描熱顯微鏡(scanning thermal microscope,SThM)等。這些顯微技術均是利用尖細的針尖對樣品表面進行掃描,進而獲取表面形貌和性能信息,因此統稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。SPM的問世是表面科學研究領域的一次里程碑式的進步,其原子級的分辨率使人們從此真正“看到”了材料表面的原子像、分子在基底的組裝結構,以及實現了對原子/分子的操控,對納米科技的發展起到了極大的推動作用,被稱為第三代顯微鏡。賓寧和羅雷爾由于設計出STM的杰出貢獻,與魯斯卡共同獲得1986年諾貝爾物理學獎。 表1.1 掃描探針顯微鏡家族的發展歷史[7-20] 1.2  掃描探針顯微鏡的工作原理 SPM是利用尖銳的探針針尖對樣品表面進行掃描以獲取形貌和性能信息的一類顯微鏡的統稱。與光學和電子顯微鏡的成像原理不同,SPM成像的分辨率不再受光源或電子波長的限制,而主要取決于探針針尖的銳度。這類顯微鏡具有共同的工作原理,如圖1.1所示,即SPM工作時,探針和樣品做相對運動,可以是探針運動,也可以是樣品運動。依工作模式的不同,探針針尖與樣品間可以是接觸的,也可以不接觸。通過檢測探針針尖與樣品間產生的不同物理信息,如力、電流等,進而利用反饋回路調節針尖與樣品間距離,獲取樣品的表面形貌和性能信息。依據檢測物理信息的不同,發展出不同類型的SPM表征技術。 圖1.1 掃描探針顯微鏡的工作原理 SPM均由相似的系統組成,主要包括探針掃描系統、性質檢測與反饋控制系統、顯示系統及隔振降噪系統[2]。因SPM家族的發展起源于掃描隧道顯微鏡(STM),本節將以STM為例闡明其工作原理。如圖1.2所示,STM工作過程中,首先利用可以精確控制探針(或樣品)位移的壓電陶瓷掃描管將導電探針針尖和樣品(導體或半導體)間距離減小至幾納米至幾埃,使針尖尖端與樣品表面之間的電子云發生重疊。此時若在探針和樣品間施加偏壓,就可以檢測到由量子隧道效應產生的隧道電流。該電流的大小與針尖和樣品之間的距離呈指數衰減關系,因此STM對樣品表面的微小形貌變化十分敏感。即使只有原子尺度的起伏,也可通過隧道電流的變化顯示出來。STM工作過程中,通過檢測隧道電流的變化,從而記錄物體表面的高低起伏信息。將這些信息再經處理后就可以在顯示系統上獲得物體表面的形貌圖像。 STM有兩種基本工作模式:恒流模式和恒高模式(圖1.3)。①恒流模式:即在掃描過程中保持隧道電流I恒定。隧道電流I對針尖與樣品間距離變化十分靈敏。當樣品表面高度有起伏時,為了保持隧道電流I不變,必須保持針尖和樣品表面間局部高度不變,因而在反饋回路控制下,針尖會隨著樣品表面的高低起伏而做相同的起伏運動。記錄探針高度z沿x、y方向的變化,樣品表面形貌(高度)信息也就由此反映出來。②恒高模式:即在掃描過程中保持針尖和樣品表面間距離恒定。樣品表面高度有變化,導致針尖和樣品表面間距離變化,隧道電流I也隨之變化,從而可通過記錄電流的變化獲取樣品表面形貌的信息。由于在恒高模式中掃描信號控制不需經過反饋回路,因此在恒高模式下可以獲得較快的掃描速率。該模式僅適用于樣品表面高度起伏不大的樣品。恒流模式中,由于反饋回路的存在,掃描探針可以根據樣品形貌變化進行相應調整,所得圖像能夠直接反映樣品表面的形貌信息,因此它已成為目前STM成像的常用工作模式。 圖1.2 掃描隧道顯微鏡的系統組成及工作原理 圖1.3 掃描隧道顯微鏡的工作模式 (a)恒流模式;(b)恒高模式 其他類型的SPM主要是反饋變量的不同(如針尖與樣品間的相互作用力等),基本工作原理均與STM相似,即都是通過檢測探針針尖和樣品表面間的某種相互作用獲取樣品表面形貌和性能信息。 1.3  掃描探針顯微鏡的特點 在掃描隧道顯微鏡基礎上發展起來的掃描探針顯微鏡目前已經成為擁有幾十種功能模式的大家族,已成為微納尺度形貌、物性測量及微納操作的*常用表征手段。表1.2為掃描探針顯微鏡與其他顯微鏡技術的各項性能指標比較。 表1.2 掃描探針顯微鏡與其他顯微鏡技術的各項性能與功能比較 由表1.2的比較分析可以看出,SPM與其他顯微鏡技術相比有著明顯的特色,具體表現在以下幾個方面。 (1)SPM具有原子級的高分辨率。SPM的側向分辨率可達0.1 nm,縱向分辨率達0.01 nm,因此利用SPM可以較容易地“看到”原子。這是一般顯微鏡甚至電子顯微鏡所難以達到的。 (2)SPM可以獲得樣品表面的實時、實空間高分辨三維圖像。一般情況下利用傳統的光學顯微鏡和電子顯微鏡只能獲得二維圖像。 (3)SPM的工作和樣品環境較為寬松,既可以在大氣環境下,又可以在真空

原子力顯微鏡及聚合物微觀結構與性能 作者簡介

王東,北京化工大學材料科學與工程學院教授,博士生導師。2001年和2004年先后獲河北大學理學學士和碩士學位,2008年獲清華大學工學博士學位,2008年至2015年在日本東北大學先后擔任助手和助理教授,其間2012年至2013年在美國麻省大學Amherst分校進行訪問學者研究。2015年回國加入北京化工大學。 主要從事發展及應用原子力顯微鏡表征聚合物微觀結構與性能的研究,尤其在聚合物復合材料的界面結構與性能、微觀結構與性能演化等方面開展了較多的工作。先后主持和參與了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目。在Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,J.Am.Chem.Soc.,Macromolecules等期刊上發表學術論文80余篇,參編英文專著2部;擔任Polymer編委;獲馮新德高分子獎等榮譽。

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