NaCl晶体表面潮解过程的扫描介电力显微镜研究

　　盐在空气中吸收水分,表面发生潮解,这是一个十分熟知的物化现象。潮解的宏观机制已经很清楚了,但对其微观动态过程并没有完整的了解。考虑一个简单的体系—NaCl晶体表面。当NaCl表面暴露于空气中时,水分子吸附不同于一般物理吸附。NaCl分子将溶解到吸附的水层中去,从而表面晶格会受到改变。在中等湿度下,吸附的水层性质与宏观状态下的水不一样,被称之为“准液体”。扫描介电力显微镜(SPFM)是利用加了电压的针尖与样品表面的极化电荷之间的吸引力来成像的,针尖与样品间距>200 ,可以稳定地对固体表面吸附的水成像[1,2,3]。横向分辨率可达200 ,垂直分辨率0.5 ,可以用来实时观测盐表面的潮解过程。

　　材料和方法

　　SPFM是在Digital Instrument(DI)公司NanoⅢ基础上改进而成的。Cantilever采用Si3N4通用型lever(DI),力常数为0.58N/m,真空蒸镀一层300埃的Pt。测量时cantilever加5V偏压。Lever在某一共振频率振动。当lever受到吸引力时其振幅减小,从而可以利用NanoⅢ软件包中的“Tapping mode”成像(与“Tapping mode”不同的是,此时针尖并不接触样品)。扫描过程中吸引力保持恒定。NaCl晶体表面通过解理获得。NanoⅢ的探头放在一密封的有机玻璃罩中,通过通干燥的氮气来适当的调节湿度。

　　结果与讨论

　　当湿度<30%时,在SPFM图像中台阶部分相对于平坦部分有很高的反差,表明台阶附近的介电常数大大高于平坦区域。合理的解释是,水分子吸附在台阶附近,NaCl分子溶于水中产生离子导电,从而提高了该区域的表面介电常数。由于湿度比较低,平坦的晶面区域吸附很少的水,其介电常数没有明显的增加。在恒吸引力的SPFM图像中,介电力大产生的反差亦大。因此,平坦处相对台阶处反差较低。在中等湿度时(～50%),看不到台阶处比平坦处有很高反差的现象。

　　这是由于平坦处也吸附了较多的水,表面介电常数也增加很大。在SPFM中,当介电常数足够大时(>20),其产生的介电吸引力就达到饱和,台阶处吸附的水可能依然比平坦区域多,因此看不到低湿度时的较大反差。中等湿度时出现一个有趣的现象,NaCl晶体表面的台阶随时间发生移动,对比

40%～60%区间的移动情况,发现湿度越大,移动越快。这说明台阶移动是由于水的吸附引起的。湿度越大,水吸附得越多,台阶处NaCl分子溶解得越快。台阶的移动并非单一的盐分子溶解过程,由于溶解与结晶处于动态平衡,因此还伴随着盐分子的析出。当台阶移动时,平坦区域并不发生变化。溶解与结晶主要发生在台阶处以及台阶与台阶之间。

　　参　考　文　献