新型原子力显微镜及其在多孔氧化铝抗腐蚀研究中的应用

　　0　前　言

　　在现代工业和日常生活中,金属材料制成的元器件或日常用品等极易因腐蚀的侵害而报废,严重的还可能导致事故。全世界每年因腐蚀而造成的物质损失超过万亿美元。为此,有关的材料防腐蚀研究具有重要的科学价值及广泛的应用前景。近年来,世界各国都在花费大量的人力物力研究开发耐腐蚀的新材料、耐腐蚀油漆、耐腐蚀涂料以及新型防腐剂等。腐蚀是一种发生在固体与气体或液体分界面上的现象。虽然通常人眼就可看见腐蚀造成的结果,但腐蚀最初往往是从原子或纳米尺度开始的。随着扫描隧道显微镜(STM)[1]和原子力显微镜(AFM)[2]等的出现,使得在原子或纳米尺度研究腐蚀过程成为可能,并可能据此而发展出新的防腐蚀方法。在这其中,AFM的应用更为广泛[3]。AFM是一种高精度、高灵敏度的表面观察与测试仪器,适用于导电与非导电样品,而且能够在大多数腐蚀性的溶液和气体中操作[4,5]。这些优越性能,使之能够直接、实时地在原子或纳米量级观察到腐蚀的过程。采用AFM不仅能够得到有关表面结构的数据,还能得到有价值的表面变化的动态信息。近年来,我们在AFM的研制及应用方面做了大量的工作,特别是在卧式AFM的研究中形成了自身的特点,仪器的性能/价格比具有明显的优势,已在国内科研院所的物理学、化学、材料学、微电子学、微型机械和光学等领域广泛应用。本文介绍所研制的新型卧式AFM的工作原理、简要结构、控制电路系统以及图像扫描和处理软件系统。作为应用例证,采用该AFM在纳米尺度对金属铝的阳极氧化抗腐蚀处理过程进行了扫描观察,得到理想的结果。

　　1　卧式AFM的原理及仪器系统

　　AFM的工作原理基于原子与原子之间的相互作用力。当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时,微探针尖端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。AFM正是利用原子力与间距之间的这些关系,通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌的。

　　AFM采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器———微探针。微悬臂一端固定,另一段置有一与微悬臂平面垂直的金字塔状微探针,如图1所示。当针尖与样品之间的距离逼近到一定程度时,两者间将产生相互作用的原子力,其中切向力(摩擦力)Ft使微悬臂扭曲,法向(纵向)力Fn将推动微悬臂偏转。我们所关心的主要是纵向力Fn,它与针尖———样品间距成一定的对应关系,即与样品表面的起伏具有对应关系。微悬臂的偏转量十分微小,无法进行直接检测,需要采用间接的测量方法,其中以光束偏转法最为简洁有效。当一束激光投射到微悬臂的外端后被反射,反射光束被位置敏感元件(PSD)接收,显然,PSD光敏面上的光斑的偏转位移量,与微悬臂的偏转量成正比,但前者比后者放大了数千倍,因为偏转臂的长度远远大于微悬臂的有效长度。放大后的位移量可以直接通过检测PSD输出光电流的大小而精确测定。以样品等高扫描模式为例,当样品扫描时,作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化,检测PSD输出光电流的大小,即可推知微悬臂的偏转量(对应于原子力)的大小,最终获得样品表面的三维微观形貌。