校分析測(cè)試中心原子力顯微鏡（AFM）開(kāi)放運(yùn)行通知

校分析測(cè)試中心是我校2016年設(shè)立的校級(jí)公共分析測(cè)試平臺(tái)，是獨(dú)立建制的二級(jí)單位，主要職能是負(fù)責(zé)學(xué)校建設(shè)的公共大型儀器設(shè)備的日常運(yùn)行管理，為提升相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)研究能力、人才培養(yǎng)、高層次人才引育和國(guó)際合作交流提供有力支撐。中心的場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電子顯微鏡（TEM）自8月份投入使用以來(lái)已運(yùn)行近800小時(shí)，高質(zhì)量完成了多個(gè)學(xué)院50余課題組的測(cè)試任務(wù)?，F(xiàn)中心于2017年12月14日完成了另一套設(shè)備——原子力顯微鏡（AFM）的調(diào)試安裝，近期已面向全校開(kāi)放運(yùn)行。為方便廣大師生了解和使用該AFM，將具體情況介紹如下：

一、AFM設(shè)備建設(shè)概況

原子力顯微鏡（AFM）作為掃描探針顯微鏡家族的一員，具有納米級(jí)的分辨能力、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，是目前研究納米科技和材料分析的最重要工具之一。我校分析測(cè)試中心購(gòu)置了Bruker品牌的Dimension FastScan AFM設(shè)備一臺(tái)，并獲附贈(zèng)Dimension Icon AFM一臺(tái)，這兩臺(tái)AFM設(shè)備擬分別放置于長(zhǎng)安校區(qū)實(shí)驗(yàn)大樓105和友誼校區(qū)誠(chéng)字樓東側(cè)103。目前，長(zhǎng)安校區(qū)AFM已完成安裝調(diào)試，并正式對(duì)外開(kāi)放運(yùn)行，歡迎校內(nèi)外師生預(yù)約測(cè)試。該AFM配備全套測(cè)試附件，可實(shí)現(xiàn)液下、空氣兩種環(huán)境下的觀(guān)察，其最快成像掃描速度可達(dá)125Hz，并配有加熱樣品臺(tái)可完成樣品的在線(xiàn)觀(guān)察。更重要的是，該AFM配備13種功能模式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的表面形貌、相位、摩擦力、磁力、靜電力、表面電勢(shì)、力學(xué)特性等的高效表征。另外，友誼校區(qū)AFM設(shè)備，由于場(chǎng)地裝修正在進(jìn)行中仍未安裝，預(yù)計(jì)在場(chǎng)地裝修完成后該AFM于2018年1月初完成安裝，對(duì)外開(kāi)放運(yùn)行。

二、特色與亮點(diǎn)

1) 掃描速度快，配備多個(gè)快速掃描器，Dimension FastScan可實(shí)現(xiàn)快速掃描，最快可達(dá)到125Hz；

2)  210mm全自動(dòng)樣品臺(tái)，能夠方便客戶(hù)施加外加信號(hào)（光、電、磁等）；

3)  加熱樣品臺(tái)，加熱最高溫度可達(dá)250℃，加熱過(guò)程中可在密封條件下充惰性氣體避免樣品氧化，溫度控制可以通過(guò)在線(xiàn)工作軟件實(shí)時(shí)閉環(huán)控制；

4)  液體環(huán)境測(cè)試，無(wú)論在大氣中還是溶液中，均可保證正常準(zhǔn)確成像；

5)  ScanAsyst模式，Bruker獨(dú)有，軟件自動(dòng)進(jìn)針，計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化成像參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在空氣及液體環(huán)境中智能掃描；

6)  13種功能模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面多種物理化學(xué)特性研究。

三、功能模式介紹

分析測(cè)試中心AFM配備齊全的附件可實(shí)現(xiàn)多種功能模式的操作，以下為主要功能模式的簡(jiǎn)要介紹：

1)  智能掃描模式（ScanAsyst）（已開(kāi)放）

一種Bruker公司獨(dú)有的操作模式，默認(rèn)采用2kHz的頻率在整個(gè)表面做力曲線(xiàn)，利用峰值做反饋，通過(guò)掃描管的移動(dòng)來(lái)保持探針和樣品之間的峰值力恒定，從而反映出表面形貌。其優(yōu)點(diǎn)是直接用力做反饋使得探針和樣品間的相互作用可以很小，這樣就能夠?qū)莛ず苘浀臉悠烦上瘛?/span>

2)  接觸模式（Contact Mode）（已開(kāi)放）

探針針尖始終與樣品保持接觸。其優(yōu)點(diǎn)是可達(dá)到較高的分辨率，可獲得摩擦力定性數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是有可能對(duì)樣品表面造成破壞，橫向的剪切力和表面的毛細(xì)力都會(huì)影響成像。

3)  輕敲模式（Tapping Mode）（已開(kāi)放）

通過(guò)使用處于振動(dòng)狀態(tài)的探針針尖對(duì)樣品表面進(jìn)行敲擊來(lái)生成形貌圖像。其優(yōu)點(diǎn)是消除了會(huì)對(duì)樣品造成損傷并降低圖像分辨力的橫向力影響，缺點(diǎn)是掃描速度比接觸模式稍微慢一些。

4)  相位成像模式（Phase Imaging）（已開(kāi)放）

在輕敲模式操作下，測(cè)量及回饋因表面抵擋及粘滯力的作用，而引起振動(dòng)探針的相位改變，因此可以采用相位差定性觀(guān)察材料表面不同相區(qū)分布。

5)  定量納米力學(xué)測(cè)試模式（PeakForce QNM）（待開(kāi)放）

在空氣和液體環(huán)境下對(duì)樣品表面形貌進(jìn)行成像的同時(shí)直接獲得其定量的納米力學(xué)性能，包括楊氏模量（測(cè)試范圍1KPa~100GPa）、粘附力（10pN~10μN(yùn)）、能量損失、樣品變形量和損耗因子。圖1為PS-LDPE標(biāo)樣在QNM模式下測(cè)試結(jié)果，成功獲取多種信息包括高度、模量、變形量、粘附力、損耗因子。

圖1  聚苯乙烯-線(xiàn)性低密度聚乙烯（PS-LDPE）標(biāo)樣定量納米力學(xué)測(cè)試（源自Bruker公司）

6)  靜電力顯微鏡模式（EFM）（待開(kāi)放）

在獲取形貌后將探針抬起并施加偏壓所掃描得到的電場(chǎng)分布，有相位檢測(cè)、頻率調(diào)制以及振幅調(diào)制三種靜電力檢測(cè)方式。

7)  壓電力顯微鏡模式（Piezoresponse Microscope）（已開(kāi)放）

高壓模式≥±220V，可同時(shí)獲取面內(nèi)和面外壓電響應(yīng)，在納米尺度測(cè)量壓電材料的電滯回線(xiàn)和蝴蝶曲線(xiàn)?？蓪?shí)現(xiàn)壓電響應(yīng)與力學(xué)性能耦合，即同時(shí)獲取壓電力響應(yīng)對(duì)應(yīng)的粘附力信息及接觸共振信息。如圖2所示，周期極化的鈮酸鋰晶體可對(duì)施加的不同外電壓進(jìn)行響應(yīng)。

圖2  PPLN-周期極化鈮酸鋰晶體（源自Bruker公司）

8)  導(dǎo)電力顯微鏡（PeakForce TUNA）（待開(kāi)放）

通過(guò)測(cè)量探針與樣品之間的超低電流對(duì)其電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行成像，低電流測(cè)量區(qū)間≤100fA，高電流測(cè)量區(qū)間≥1μA，峰值力控制≤50pN。

9)  光電流原子力顯微鏡（Photoconductive AFM）（待開(kāi)放）

可實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)光側(cè)光路入射非透明樣品，并提供該裝置的照片及圖紙，光斑在樣品上≤5μm，實(shí)現(xiàn)光照射與原子力探針原位同步測(cè)試。具有Dark Lift暗抬起功能，在關(guān)閉AFM反饋激光的情況下對(duì)樣品表面的電學(xué)特性進(jìn)行掃描，可避免由于AFM反饋激光而引起的材料光電效應(yīng)。

10)  表面電勢(shì)顯微鏡（PeakForce KPFM）（待開(kāi)放）

包括振幅調(diào)制和頻率調(diào)制兩種方式，可擴(kuò)展表面電勢(shì)成像范圍≥±200V，電勢(shì)成像的空間分辨率≤20nm，可同時(shí)獲取對(duì)應(yīng)的定量納米力學(xué)性能。

11)  磁力顯微鏡模式（MFM）（已開(kāi)放）

采用磁力探針來(lái)探測(cè)探針和樣品間的相互作用，可以對(duì)樣品表面的磁場(chǎng)分布進(jìn)行掃描?？啼浐蟮拇疟P(pán)具有周期性磁場(chǎng)分布，見(jiàn)圖3。

圖3  刻錄數(shù)據(jù)后磁盤(pán)的高度圖和相圖

12)  掃描隧道顯微鏡（STM）（已開(kāi)放）

提供恒電流和恒高度下的隧穿電流圖像模式，能夠可持續(xù)穩(wěn)定得到HOPG原子相，提供標(biāo)準(zhǔn)增益1×10e9 V/A，電流測(cè)量范圍1pA到5nA。

13)  納米刻蝕和納米操縱模式（Nanolithograpy、Nanomanipulation）（已開(kāi)放）

可以在納米尺度及分子尺度上進(jìn)行刻蝕及操控，該設(shè)備的XYZ閉環(huán)掃描器提供精確的探測(cè)定位，可將納米線(xiàn)控制在最佳位置，見(jiàn)圖4。

圖4  銀納米線(xiàn)（a）初始形貌；（b）施加橫向力階段后形貌；（c）納米操控移動(dòng)后形貌

目前，AFM已開(kāi)放8種功能模式包括智能掃描模式、接觸模式、輕敲模式、相位成像模式、壓電力顯微鏡模式、磁力顯微鏡模式、掃描隧道顯微鏡模式、納米刻蝕和納米操控模式，其余5種功能模式（定量納米力學(xué)測(cè)試模式、靜電力顯微鏡模式、導(dǎo)電力顯微鏡、光電流原子力顯微鏡、表面電勢(shì)顯微鏡）的開(kāi)放將另行通知，預(yù)計(jì)2018年1月份可完全開(kāi)放，歡迎校內(nèi)外師生預(yù)約測(cè)試！如有問(wèn)題可直接撥打分析測(cè)試中心電話(huà)，029-88430850，謝謝！

校分析測(cè)試中心

2017年12月25日