粉末样品的原子力显微镜研究方法

　　原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)是继扫描隧道显微镜以后出现的新型显微镜,由于它可以直接观察导电和非导电样品的表面结构和其他物理性质,并获得高分辨率的图像[1],所以在块状固体、薄膜、生物样品表面分析中均发挥了很大作用[2~6]。但AFM不能用于直接扫描粉末样品,原因在于:(1)粉末样品颗粒表面能大,质量小,表面存在大量过剩电荷或吸附水,由于静电吸引力或其他粘性力,易于在扫描过程中粘附到针尖上,不仅使扫描不能进行而且损坏针尖;(2)同样由于质量小的原因,颗粒无论是置于大气中还是如生物样品一样置于液体中[5],探针与颗粒之间的小相互作用力都可以移动颗粒,使扫描不稳定。有论文报道可以用AFM获得颗粒样品的表面形貌,但所用的办法均很复杂且通用性不强[7~10]。鉴于粉末样品大量地存在于自然界与工业生产中[11],所以寻找一种简便并应用广泛的AFM扫描方法,将是对AFM应用范围的一个扩展。

　　本文在仔细考虑了AFM扫描原理和粉末样品的表面性质以后,提出了用纯净水等液体作黏结剂对粉末样品进行预处理后,再进行AFM扫描的方法。经大量实验证明,此法简单易行,对样品无损伤,具有广泛的适用范围,有一定的应用价值和理论意义。

　　1　实验条件

　　实验是在俄罗斯NT-MDT公司生产的SolverP47型多模式扫描探针显微镜上进行的。所有粉末样品均采用NT-MDT公司生产的NSG11型非接触式AFM探针,用轻敲模式进行扫描。探针悬梁臂长为100μm,宽35μm,厚约2·0μm,力常数约11·5(N/m),共振频率在190kHz~325kHz之间,而针尖曲率半径典型大小为10nm,高度为10μm~20μm。

　　粉末样品有3种:超细MnO2粉末、超细Al2O3粉末和巨磁阻La0·67Sr0·33MnO3粉末。实验用黏结剂主要是纯净水。作为对照实验,也用无水乙醇和甘油做了部分实验。

　　2　实验方法与结果

　　本文详细介绍巨磁阻La0·67Sr0·33MnO3粉末用纯净水作黏结剂的实验过程与方法。其他两种粉末样品和黏结剂的实验与此类似。

　　实验成功与否的关键步骤是把La0·67Sr0·33MnO3粉末样品放进探针显微镜扫描之前的样品预处理工艺。预处理分为以下几步:(1)自然状态下的La0·67Sr0·33MnO3粉末样品处于分散状态,用洁净镊子夹出适量(约0·5g~1g)粉末置于NT-MDT公司生产的标准SU001多晶宝石片表面上,宝石片预先用无水乙醇清洗干净即可,不需其他处理过程(图1a)。(2)用滴管往宝石片上的粉末样品滴纯净水,数量以刚能充分湿润粉末样品为宜。用洁净镊轻轻拨动粉末样品,使样品充分湿润并在宝石片上均匀铺开(图1b)。(3)把宝石片放在通风干燥的地方,让粉末样品上的纯净水自然蒸发。蒸发时间视周围气温、干燥度和样品上的纯净水数量而定。一般15min以后,可观察到样品凹凸不平的表面上较高的部位处无水分的明显反光,只有样品最低洼处存在水分光泽,此时表示样品可以放到探针显微镜上进行扫描(图1c)。如果样品表面完全没有水分的反光,如图1d,则表示样品上的水分已基本蒸发完,此时再把样品放进探针显微镜上扫描,结果肯定失败。