SPM技术在碳纤维结构研究上的应用

　　随着科技的进步,表面科学已发展成为能够研究固体表面和界面的物理和化学性质等多学科领域,尤其是纳米技术的发展和应用,更强化了在纳米尺度上对结构进行表征和操纵。但直到80年代初,分析技术,如透射电子显微术、高分辨率显微镜等都还缺乏原子分辨探测表面的灵敏度,且要求有严格的试样制备程序和实验设备。扫描隧道显微镜(STM)[1]的发明使在纳米尺度探测原子表面成为可能。之后,人们又相继发展了原子力显微镜(AFM)、电力、磁力显微镜、激光力显微镜、光子扫描隧道显微镜等设备。由于这些显微镜均由物理探针构件和图像处理系统组成,而且若干探头可以组合在一起,因此统称为扫描探针显微镜(SPM)[2],其中STM和AFM是最常用的,也是最实用的。

　　SPM,尤其是STM被广泛地应用于物理学、化学、生命科学等领域[3,4]。SPM不仅能用于分析样品、定性观察、静态研究,还能用于制备样品、定量测量、动态记录;不仅能研究样品的最表面,还能深入到亚表层。此外,SPM还可以用于进行多种不同机理的加工,如机械、电加工等,甚至有可能用于制作器件。本文介绍了STM和AFM的基本原理,着重探讨了STM和AFM在研究碳纤维结构性能上的作用。

　　STM和AFM的基本原理

　　STM的工作原理是基于量子隧道效应,将一尖端为原子尺度的探针作为一电极,样品表面作为另一电极,当两者距离极其接近(≤1nm)时,在外加偏压作用下,两电极间将产生对距离十分敏感的隧道电流。根据针尖位置或隧道电流的变化可探测到样品表面的电子态密度分布,由该分布反应出样品表面微观三维形貌。以恒流模式操作时,探针针尖在每一个X-Y位置运动时,隧道电流恒定不变,记录的是受反馈控制的针尖的上下运动;以恒高模式操作时,针尖在表面上保持一定的高度,记录的是隧道电流随位置的变化,如图1所示。

　　将STM与针式表面粗糙仪原理相结合,就构成了AFM。其原理如图2所示,安装在悬臂上的原子尺寸的针尖与表面接触,在力可变动的模式中,悬臂在表面上运动,由于表面起伏导致的弹簧的偏转值,被作为表面上横向位置的函数而被记录作图,由于顶端原子与试样表面的原子间相互作用力与间距有已知比例关系,在扫描过程中记录针尖运动轨迹就反映出试样表面形貌,它也具有原子级的分辨率,试样可以是绝缘体,弥补了STM的不足。

　这里不再说明其他SPM的工作原理,只将一些较新的SPM性能(见表1)介绍如下。

　　STM和AFM在碳纤维上的应用碳纤维的表面结构和内部结构对其性能及其在复合材料中的结合状况有着极其重要的作用。传统的表面结构分析主要采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM),前两者只能描绘微米级的表面形态,TEM尽管能够看到纤维原子层表面,却不能看到实际空间的真实表面,因此都具有局限性。目前对碳纤维的结构认识仍不够充分,主要就是缺乏纳米级和原子级的结构信息[5]。而SPM尤其是STM超越其他显微镜技术的一个突出优点就是,它既具有垂直方向,又有水平方向的高分辨率,这一点在图3中得到了较好的体现.