表面微区的力学分析能手

       材料研究的不断深入对微观尺度上的力学测量提出了越来越高的要求。安东帕Tosca系列原子力显微镜(AFM)不仅利用各种成像模式提供高分辨率的三维表面图像，而且还可以使用力曲线提供灵敏的力学测量。Tosca  AFM的力学测量具有定位jing准，针尖尺寸小（纳米级曲率半径），力学探测灵敏度高的特点，对材料微区的力学研究具有独到的优势。

       力曲线通过Z轴方向压电陶瓷的受控运动来 控制探针和测试样品间的作用力。在AFM的形貌成像模式中，探针在XYZ方向上移动以记录三维表面图像。而在AFM力曲线模式下，探针仅在Z方向上移动，由接近样品表面到从表面退针形成一个完整的测试周期，获得单点上力随探针Z向位置变化的关系。AFM 力曲线测量可以对测量的微区进行纳米级的jing准定位；垂直分辨率可达到亚纳米尺度；力学分辨率由探针悬臂的特性决定，可达皮牛范围。力曲线通过各种接触力学模型的计算，可以得到样品的定量力学性质，如杨氏模量和粘附力等。这里我们使用 Tosca 原子力显微镜对共混聚合物薄膜进行力曲线的测量，在由PMMA和SBS共混物组成的薄膜上对不同成分的微区分别进行力学性能的分析。

图1PMMA/SBS共混聚合物的AFM形貌像

       图1显示了共混聚合物的AFM形貌图，从形貌图中可以清晰地看到两种成分分布的区域。红色的十字标记表示力曲线测量的位置，这里分别在两种成分的区域进行定点力曲线测量。

图2 力曲线原始信号

图3力信号转化后的力曲线

        通常力曲线测量的原始信号是悬臂的偏转随距离的变化，如图2所示, 其包含靠近(蓝色)曲线和回撤(红色)曲线作为一个完整的周期。一旦悬臂与样品表面接触，悬臂偏转开始改变, 该偏转与探针所受的作用力相关。力曲线所测量直接得到的是悬臂的偏转，不能直接用于力的定量计算，需要确定探针和测试系统的部分参数后，如悬臂的弹性系数，系统探测灵敏度等，在软件里通过换算将电压单位转换为力的单位。在此基础上，获得定量的力值（见图3）。

图4 力-分离曲线

       为了进一步研究材料的力学性质，例如，计算杨氏模量，力曲线必须转化为力-分离曲线，该曲线反映力与探针-样品相对位置的关系，从而得到样品的针尖压入深度的信息。

       图4显示了力-分离曲线的靠近阶段部分。该曲线通常结合各种已知的接触力学模型 (如Herz、Sneddon等)，以提取杨氏模量的值。这里使用软件自带的Sneddon模型，得出图1中红色十字所表示的PMMA微区和SBS微区的杨氏模量分别为1.41 GPa和226 MPa。

（来源：安东帕(上海)商贸有限公司）