纳米管探针机械性能在纳米表征中的优势研究

　　1引言

　　纳米科技是研究电子、原子和分子运动规律与特征的一门新兴学科，是基础研究和应用开发紧密结合的高新科学技术。原子力显微镜(atomi。forcemieroseope，AFM)的发明为纳米技术的迅猛发展起到了推波助澜的作用。AFM由于不需要在探针与样品间形成导电回路，突破了样品导电性的限制，有广泛的应用领域。原子力显微镜通过探针与样品直接作用而获得样品的微观形貌，探针是AFM的核心部件。探针的几何参数和机械性能等将显著影响原子力显微镜的成像分辨率和检测性能。传统的AFM敲击模式硅探针是微悬臂/探针一体化的结构。探针是锥形的，锥角为20一300。当扫描大深宽比样品时，普通硅探针会产生显著的加宽效应，影响图像分辨率)硅探针硬脆，其本身不仅容易磨损，降低探针的分辨率和使用寿命，而且成像过程中容易损伤扫描的样品，特别是生物样品等柔软样品。Paulo等研究发现，当普通硅探针与生物样品间的作用力过大时会导致获得的图像失真，对柔软的样品产生不可恢复的破坏〕探针在斥力模式成像时，会改变蛋自分子的取向，产生不可逆的变形破坏。普通原子力显微镜探针的几何形状和物理特性制约了原子力显微镜应用的拓展。

        碳纳米管(〔:athonnanotube，CNT)细长，纵横比高;其弹性模量非常高，可高达ITPa;由于其特殊的网状结构，碳纳米管具有奇特的弹性弯曲能力;，柔韧性非常好;具有确定的电子特性。由于碳纳米管具有许多优良的性能，成为原子力显微镜探针的理想材料。碳纳米管原户力显微镜探针就是将碳纳米管固定在普通的扫描探针显微镜的探针上，将碳纳米管当作探针来进行工作。长径比大和分辨率高是纳米管探针一的显著优势之一，而纳米管探针优异的机械性能是纳米管探针的另一突出优势本文系统地研究了碳纳米管探针机械性能在　　纳米表征中的重要价值，包括纳米管探针的弹性、塑性、耐磨性及对样品损伤等研究内容.

　　2实验条件

　　本文采用DlNanoseopeIlla型原子力显微镜进行探针的形貌表征实验。所用碳纳米管探针采用焊接制备法制备,利用FEIN    nove  Nanolab200聚焦离子束(f()、、used　i()n反am，FIB)进行纳米管探针的角度优化研究探针耐磨试验用的Si;N4样品是采用真空蒸镀法制备的.

　　3纳米管探针的弹性研究

　　由于碳纳米管是片状石墨烯卷成的中空圆筒结构，能够通过体积变化承受很大的张力应变而不呈现脆性行为塑性变形或键断裂囚。图1是纳米管探针的振幅与悬臂变形随探针与样品间间距的变化图通过探针振幅曲线可以发现，由于碳纳米管具有很好的鲁棒(robu溢)性能和很好的弹性弯曲变形能力，碳纳米管接触到样品表面后，其振幅开始逐渐恢复，而同时纳米管探针悬臂的变形量很小。如果继续逼近样品，当硅探针末端开始接触样品表面的时候，探针的振幅马上降为零，悬臂也将很快产生明显的变形。纳米管探针的力曲线实验可以多次重复操作(在硅探针接触样品表面之前)，而且探针振幅等参数重复性很好，充分体现了纳米管探针良好的弹性弯曲能力。