基于光偏转原理的AFM光电检测系统设计

利用光偏转原理设计并实现了原子力显微镜(AFM)的光电检测系统,研究了影响光偏转噪声的影响因素。设计了新型螺旋式嵌套结构调节准直光斑,使激光发散角降低到0.053°,利用压电陶瓷特性设计了高精度三维调节结构,可以在α,β,γ方向精准调节偏转角度,36mm的聚焦焦距满足了小型化、集成化的设计目标。基于该高灵敏度光电检测系统的设计,AFM系统得到了清晰的硅材料表面台阶结构,系统分辨率达到了0.1nm,为今后的亚原子测量奠定了实验基础。

稀土La^(3+)离子在高岭石表面吸附的原位AFM研究

离子吸附型稀土矿是我国优势矿产资源,该类型矿床中,稀土元素主要是以离子的形式吸附在高岭石、埃洛石和铁锰氧化物等次生矿物上。本文主要通过原子力显微镜(AFM)的微观区域的力学测量功能,结合DLVO理论,研究原位水环境下稀土La^(3+)对高岭石不同表面(Si面和Al面)Stern电位的影响,揭示高岭石对La^(3+)的吸附能力随Si面和Al面表面性质不同而变化。实验结果表明:当La^(3+)浓度从0增加至1.0 mmol/L时,高岭石Si面的Stern电位由−46 mV转变为4 mV,表明高岭石Si面对La^(3+)有吸附作用;而Al面的Stern电位(在28~31 mV之间波动)几乎没有变化,表明高岭石Al面对La^(3+)的吸附作用不强。该研究表明在pH=4~6的风化壳条件下,高岭石Si面对La^(3+)的吸附可能占主导作用,Al面的贡献相对较小。本研究从微观角度揭示了稀土元素在高岭石不同表面的吸附特征,明确了高岭石不同表面对稀土元素吸附的贡献,为阐明风化壳中稀土的富集机制提供信息。

基于AFM的SBS改性沥青老化过程力学特性研究

为了探究改性沥青在老化过程中宏观与微观性能的变化,制备了掺量为5.5%的SBS改性沥青,并进行了短期与长期老化试验,分析了其基本性能指标。采用温度扫描与频率扫描试验研究了SBS改性沥青的流变性能,采用AFM试验分析了其表面微观形貌和耗散力,并结合力曲线分析了其黏附力及杨氏模量在老化前后的变化。研究结果表明,短期老化对SBS改性沥青流变性能的影响较小,长期老化对其流变性能影响显著,弹性模量和黏性模量均增大,呈现出变硬、变脆的特性;AFM试验表明SBS改性沥青在老化后高度增大,且蜂状结构尺寸增大、数量增多,黏附力和耗散力均降低,杨氏模量增大,验证了宏观流变试验的结果。

原子力红外显微镜(AFM-IR):成像原理及方法综述

综述了基于原子力显微镜的红外光谱(Atomic force microscopy-based infrared spectroscopy,AFM-IR)的特点,测量和检测原理及其技术优势。AFM-IR是能在纳米尺度对不同材料进行表征的新兴技术,该技术可以以远低于常规光学衍射极限的分辨率检测材料的化学成分,同时提供不同组分的分布图谱。AFM-IR的原理是利用原子力显微镜(AFM)悬臂梁的振动检测样本因吸收红外辐射脉冲产生的热膨胀,因此AFM-IR在继承了AFM的纳米级分辨率的基础上结合了红外光谱的化学分析能力,克服了二者原有的缺点并实现了优势互补。这项新技术在过去十多年备受关注并获得了长足的发展,因其操作简便、系统稳定、样品制备要求相对较低,以及与红外光谱直接相关而无需数学建模或额外数据后续处理,已被广泛用于材料科学、生命科学等诸多领域。

基于音叉式AFM测量的软件控制研究

基于音叉式原子力显微镜(AFM)的基本原理,设计了一个幅度调制模式下的测量控制系统,该控制系统的主要实现功能为针尖接近、针尖工作点位置保持和样品的表面形貌测量。实验得到针尖在不同激励电压下的接近曲线,针尖分别在100 mV、200 mV、500 mV、1 V激励下,工作区间大小为4.7 nm、8.5 nm、12.1 nm、15.7 nm,灵敏度分别为0.0423 V/nm、0.0564 V/nm、0.0861 V/nm、0.0831 V/nm。实验得到针尖工作点位置保持过程中的纳米位移台位置变化曲线,针尖工作点的正向偏移值为2.3 nm,负向偏移值为1.3 nm。表面形貌测量采用X轴双向扫描模式,即在纳米位移台于X轴方向上的往返过程中分别测量1次表面形貌数据,对正向扫描和反向扫描的数据进行计算处理;正向扫描的间距误差为5.2 nm,高度误差为0.3 nm,反向扫描的间距误差为6.4 nm,高度误差为0.5 nm。

基于AFM探测分析不同白血病分型患者外周血红细胞形貌和超微结构的差异

原子力显微镜(AFM)凭借独特的优势已经成为细胞生物学领域的重要研究手段。文章使用AFM分别研究人体血液中正常红细胞、急性髓系白血病(AML)和急性淋巴细胞白血病(ALL)分型红细胞,分析并比较三者的细胞形态和超微结构,进一步探究其变化对生理功能的影响。研究结果表明,AFM可以清晰地观察到病变红细胞的形态、各项细胞参数发生变化,能够为病变红细胞的辨别提供依据。同时,AFM可以清晰地观察到不同红细胞膜表面的形态与超微结构差异,有望为红细胞相关疾病的诊断和治疗提供一种有效的观察分析手段。

纳米气泡浮选过程强化研究进展

浮选是低品质矿及煤分选提质的有效手段,其中微细粒浮选难题突出,而纳米气泡则是解决该难题的重要途径,但关于纳米气泡浮选过程强化的诸多基础科学问题仍未解决。为促进微细粒纳米气泡浮选过程强化技术的开发,重点围绕浮选过程中纳米气泡的界面选择性成核动力学、界面纳米气泡超常稳定性机理及纳米气泡强化颗粒-气泡捕获效率微观作用机制等三个关键科学问题,介绍了笔者团队在纳米气泡浮选过程强化方向的最新研究进展。研究结果表明:纳米气泡的选择性成核是纳米气泡浮选过程强化的关键,而纳米气泡的稳定性则是纳米气泡浮选过程强化的前提;纳米气泡浮选过程强化的机制主要包括促进颗粒絮团与缩短诱导时间,其内在作用机制来自纳米气泡长程疏水引力与边界滑移的协同作用。笔者团队的研究阐明了纳米气泡固-液界面选择性成核的能量作用机制,提出了基于界面高密度气层自动补偿的界面纳米气泡稳定性机理,建立了微纳力学-边界滑移协同驱动的纳米气泡强化浮选界面作用机制,进一步丰富发展了现代浮选基础理论,为开发微细粒纳米气泡浮选过程强化技术提供了一定的指导。

XPS,AFM研究沥青基碳纤维电化学表面处理过程的机制

对各向同性沥青基碳纤维进行电化学氧化表面处理 ,用 XPS,AFM分析了碳纤维表面含氧官能团和表面微观形貌的变化过程。实验结果表明 :电化学氧化处理是表面碳及其含氧官能团逐步被氧化成羧基和 CO2 的过程。氧化处理首先是使碳纤维表面变得更光滑 ,持续氧化后才会出现沟槽 ,SEM的分辨率不足以表征碳纤维电化学氧化前后的表面形貌变化 ,而采用 AFM可在纳米尺度上表征碳纤维在电化学氧化过程中的表面形貌变化。AFM和

γ(fcc)→α(bcc)马氏体相变表面浮凸的AFM观察与定量分析

利用原子力显微镜 (AFM)及扫描电镜 (SEM)观察并定量分析了γ(fcc)→α(bcc)马氏体相变的表面浮凸。结果表明 :{ 2 5 9} f 马氏体表面浮凸为双倾动、帐篷 (∧ )型 ,{ 5 5 7} f 马氏体的表面浮凸为“孤立岛状”浮凸群 ,{ 2 2 5 } f 马氏体表面浮凸为具有层状结构的“三角形”浮凸群 ;{ 2 5 9} f 马氏体表面浮凸的宽度、高度及浮凸角度均大于 { 2 2 5 } f 马氏体“三角形”浮凸群 ,{ 5 5 7} f 马氏体表面浮凸群的高度最小 ,其浮凸角也最小。

用AFM压痕技术定量介观硬度的方法研究

用原子力显微镜(AFM)纳米压痕方法结合扫描力显微镜技术,表征类金刚石(DLC)膜,金块Au,单晶硅Si的纳米硬 度。用能量密度理论解释基于AFM压痕技术测定纳米硬度的机理,给出AFM纳米压痕的能量平衡方程。对DLC膜,金块, 单晶硅进行纳米压痕试验,表明在同样载荷下,不同材料的压痕深度是不相同的。DLC膜具有较高的抗压性能,Si其次,Au 的抗压性能最低。通过曲线拟合技术,定量给出金块的纳米硬度分析模型:H=(2.83/Df)+2.86。

AFM观察稳恒磁场对细胞表面精细结构的影响

利用原子力显微镜(AFM)观察稳恒磁场(SMF)处理后,悬浮生长细胞(K562人白血病细胞)、贴壁生长细胞(人结肠癌SW480细胞)、小鼠肝癌细胞Hepa1-6和原代小鼠肝细胞表面精细结构的变化,以了解SMF杀伤肿瘤细胞的可能机制。观察结果显示:随曝磁时间延长,SMF可在肿瘤细胞表面造成不同程度损伤,主要表现为细胞膜上出现许多大小不一的凹陷,且凹陷数量和直径随着曝磁时间延长而增加。与MTT检测相比,AFM观察到的各类细胞表面损伤远早于细胞的生长抑制。实验观察显示,悬浮生长细胞比贴壁生长细胞对磁场处理更为敏感,小鼠肝癌细胞比肝细胞对磁处理更敏感。实验结果显示,AFM能够及早观察到细胞表面因SMF作用而产生的精细结构方面的变化。

硅基微机械表面粘附及摩擦性能的AFM试验研究

在Si(1 0 0)基片上制备了十八烷基三氯硅烷(OTS)分子润滑膜,并用原子力显微镜(AFM)对比研究了施加OTS膜前后的硅表面的粘附、摩擦磨损性能。试验考虑了相对湿度和扫描速度对粘附、摩擦性能的影响。结果表明,相对于硅构件来讲,OTS膜表面粘附力较小,具有较小的摩擦因数,呈现较好的润滑性能;硅构件受湿度变化的影响比OTS膜明显。微构件的摩擦性能由于水合化学作用生成Si(OH)4润滑膜,使得其受相互间运动速度影响很大。OTS膜不仅是一种耐磨性较好的润滑膜,而且有良好的稳定性。

珍珠表面微形貌的AFM和SEM研究

利用原子力显微镜 (AFM )结合传统的扫描电镜 (SEM )观察不同质量的珍珠表面 ,在微米级至纳米级的范围内对珍珠表面进行了全面的超显微结构特征分析 ,探讨SEM下无法涉及的珍珠纳米级表面结构与珍珠物理特性(光泽度、粗糙度、伴色 )之间的相关性。研究显示 ,珍珠等级与文石层、文石微层、文石板块及其内部文石集合体的有序度、致密度等均呈正相关关系。本文还提出在珍珠养殖与交易的珍珠分级中可利用微形貌数据如平均粗糙度(Ra)

磁控溅射法制备纳米Ag薄膜的AFM分析和导电性能

在室温条件下,采用磁控溅射法在PET纺粘非织造布上制备了纳米Ag薄膜,用原子力扫描显微镜(AFM)分析溅射功率、溅射真空室气压等工艺参数对纳米Ag薄膜结晶状态、粒径的影响;研究了溅射工艺参数与薄膜导电性能之间的关系。实验结果表明,在室温下,随着溅射功率增加,纳米Ag薄膜Ag粒子尺寸增大,功率为120 W时,薄膜导电性能最好;随着反应气体压强增加,Ag粒子直径变小,薄膜的导电性能变差。

α-淀粉酶在阴离子化PET表面的自组装膜及其AFM研究

采用分子沉积技术制备了α 淀粉酶的自组装膜 ,并用AFM研究了在不同的pH值溶液和不同电荷密度基底上得到的自组装膜 .结果表明 :pH值从 6 .0变到 4.0 ,形状变得尖细 ,膜中缺陷点多 ;基底的电荷密度增大时 ,酶分子的外观形状较细 ,膜中缺陷点少 ;α 淀粉酶自组装膜的厚度保持约 5～ 10nm .

基于栅格节距中心峰值检测的扫描探针显微镜校准方法

为了解决扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)现有校准方法复杂程度高且存在局限性的问题,提出了一种基于二维标准微尺度正交栅格的SPM校准方法,通过对扫描获取的栅格图像进行互相关/卷积(Cross-correlation/Convolution,CC)滤波,实现对栅距中心坐标的峰值检测。校准的运动几何误差包括x轴和y轴位置偏差Δ_(x)和Δ_(y)、沿x轴和y轴扫描的直线度偏差δy和δx以及两轴之间的正交性偏差γ_(xy)。根据x轴和y轴扫描像素数、扫描范围、标准栅格计量检定节距平均值、栅距平均值计算得出校准因子C_(x)和C_(y)。采用标称节距为10μm的正交栅格样板对原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)进行校准实验,结果显示C_(x)和C_(y)分别为0.925和1.050,γ_(xy)为0.015°,该台AFM的校准扩展不确定度为0.33μm(k=2.56)。研究成果对于推动SPM校准标准文件的具体实施和执行具有积极意义,并为SPM仪器研制及性能评估提供了技术参考。

颗粒气泡黏附科学:基于AFM和DWFA的颗粒气泡间疏水作用力研究

为探索颗粒气泡体系疏水力的长程及短程来源机制,分别采用原子力显微镜(AFM)和浮选动态润湿膜分析仪(DWFA)对气泡与同一疏水玻璃基板间的疏水力进行测试。AFM发现气泡与亲水性玻璃基板间的相互作用力为单调斥力作用,体系不存在诱发液膜失稳的引力作用项。疏水性颗粒气泡间的液膜是不稳定的,当AFM负载力到达19.3nN时,力曲线中观察到了明显的跳入黏附现象。疏水玻璃与气泡间的疏水力以3.50nm的衰减长度按单指数模型衰减,液膜在32.96nm临界破裂厚度处破裂。该疏水力倾向于一种短程力(<50nm),其源自界面的水分子重排熵效应。DWFA法同样发现亲水性玻璃基板与气泡间的液膜是稳定的,当总分离压力与气泡内部拉普拉斯压力相等时,液膜到达133nm的平衡膜厚度。疏水性玻璃基板与气泡间的液膜是不稳定的,液膜发生快速薄化并分别在185nm临界膜厚处破裂。对疏水力进行定量求解发现该力以47.30nm的衰减长度衰减,所获得的疏水力为一种长程作用力,该力源于固液界面纳米气泡空化效应。AFM和DWFA排液试验中所用的气泡尺寸分别为微米级及毫米级,疏水力受气泡本身的尺寸影响,与气泡表面的毛细波传播有关,在吸引力作用下大气泡表面会形成更强烈的毛细波震荡。由于疏水界面水分子的热力学不稳定性,这种界面波动会诱发疏水固液界面空化气泡的析出,增加了引力作用程。

AFM研究PCL薄膜的结晶形态

利用原子力显微镜 (AFM)详细研究了聚己内酯 (PCL)超薄膜及其在特殊限制环境下的结晶形态 .AFM的观察表明 ,PCL在石英基板上的结晶形态呈现典型的球晶及比较少见的树枝状晶两种形态 .认为主要是超薄膜结晶过程中由于几何受限及基板吸附导致分子链扩散移动速度大大降低 ,由此形成的扩散控制结晶过程从而导致最终形成树枝状的分形结构 .将聚合物限制在间距为 10 μm的凹槽内 ,发现PCL的结晶有比较规整的排列 ,而且沿着凹槽的方向结晶排列取向优先 .当在凹槽两侧铝条上施加强电场后 ,发现在静电场作用下 ,PCL的结晶取向生长方向发生改变 。

壳聚糖/羟基磷灰石-庆大霉素缓释材料的抗菌性能研究及AFM观察

制备壳聚糖/羟基磷灰石-庆大霉素(CS/HA-G)缓释材料,评价其抗菌性能在骨髓炎的治疗中的应用前景;并从微观角度初步探讨药物对大肠杆菌的作用机制。对CS/HA-G缓释材料进行体外缓释行为研究及抗菌实验;并以原子力显微镜(AFM)观察大肠杆菌在药物作用前后表面形态结构的变化。CS/HA-G对大肠杆菌的抑菌效果显著,维持有效释药时间长达30d以上。AFM观察显示药物作用于大肠杆菌后菌体高度和表面平均粗糙度(Ra)均下降,有内容物渗漏。CS/HA是一种理想的庆大霉素载体材料。CS/HA-G的缓释作用和缓释规律显示出该材料在大肠杆菌引发的骨髓炎的防治中具有极大的临床应用潜能。

靶丸表面轮廓形貌AFM精密测量及特性评价

建立了由改造的原子力显微镜(AFM)、精密回转气浮轴系、辅助转位轴系等组成的靶丸表面形貌精密测量系统,气浮轴系的回转精度达0.049μm,实现了对激光核聚变靶丸3个正交方向上完整圆周迹线的测量.对选定靶丸的测量数据进行了球度、表面粗糙度及功率谱分析.结果表明:其球度值为0.42μm;模数范围为2～10,11～50,51～100及101～1 000对应的表面粗糙度值平均为105.7,12.2,6.2,18.25nm;并得出了平均1维功率谱-模数关系曲线.