基于AFM湿度对表面粘着力影响的研究

　　1　引　　言

　　微观表面力测量技术可渗透到纳米物理、纳米化学、纳米材料学和纳米机械学等多个领域,并揭示出一系列重要现象,如扩散现象、乳化液粒子的状态、 液体膜技术、表面力与表面接触特性、表面微变形与粘着行为、界面分子膜的流变性能和物理形态,以及边界润滑的摩擦机理等等。早期人们采用表面力仪 (SFA)[1]进行表面力测量研究,近年来扫描探针显微镜(SPM)[2]的出现,为在原子、分子尺度上观察表面现象及其变化规律提供了有效手段,使在 纳米表面形貌和微小力测量技术领域有巨大的发展。本文介绍了在大气条件下对硅样品表面进行粘着力测量的实验研究,分析相对湿度同表面粘着力的关系。

　　2　利用AFM实现表面粘着力测量原理

　　在大气环境下,SPM探针与样品间会产生很强的粘着力,一般认为材料体相变形导致了表面粘着现象。近年采用SPM观察和分子动力学模拟计算进行 的研究表明,粘着现象是界面上表面分子力相互作用的结果,而表面粘着能是影响粘着行为和接触形态最本质的因素。假设以范德华力产生的表面粘着能为例,以球 形探针与平坦样品模型为例,得到范德华力为:

　　其中:C为系数,ρ1、ρ2分别为探针与样品的密度,R为球形探针半径。当AFM工作在大气条件下时,由于空气湿度的影响,使探针与样品之间产生毛细力,可以表示为[4],

　　其中:γL为表面自由能,P/Ps为饱和蒸汽压,θ为接触角。

　　3　实验与分析

　　采用商用氮化硅三角形接触AFM探针[5]在经抛光后的单晶硅表面进行表面粘着力实验,硅样品表面粗糙度Ra小于0.3nm,微悬臂弹性系数为 0.38N/m,探针尖端半径约为100nm,微悬臂长100μm,环境相对湿度为58%,得到测力曲线如图1所示。从图中可以看出探针较平缓的逼近样 品,然后突然被吸向样品表面,形成跳跃接触,称为“下跳变”过程,其反映了探针受到的长程引力作用的程度。当探针远离样品表面时,在表面粘着力的作用下, 被拉在样品表面,直至微悬臂继续远离样品并克服粘着力的作用,离开样品表面,形成“上跳变”过程,其大小反映了探针受到样品表面粘着力作用的程度。实验中 得到下跳变力为1.6nN、上跳变力为39.8nN。图1(b)为(a)中所圈区域的放大,从图中可以看出,当探针接近样品表面时,曲线开始下降,如图中 ①所示,这是由于测量过程是在大气条件下进行的,大气中的水蒸气在样品和探针表面形成一层水膜,探针首先与液膜接触,产生吸引的毛细力;此外,在液膜中靠 近样品表面,存在一层疏水性有机物层,它们同探针之间形成疏水毛细力,使曲线进一步向下弯曲。当探针接近样品表面时,曲线开始上翘,直至发生下跳变过程, 如图中②所示,这是由于探针尖端刺破液膜,其端部的原子与样品表面相接触,但探针整体所受的引力仍然较小,不足以把探针拉到样品表面,探针端部与样品表面 的接触产生的斥力使曲线发生上翘。