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AFM力-距离曲线2010113032011/5/26AFM有哪些功能？•获得原子级的高分辨率的二维、三维图像，可以用于观察纳米材料的微观形貌，分析晶体的分解过程，观察各种膜的微观结构等。•在不同环境下测量样品与针尖之间的相互作用力，揭示样品定域的粘弹性等性质。纳米纤维力-距离曲线一、基本原理简介•原子力显微镜（Atomicforcemicroscope,AFM）:•通过测量样品表面分子（原子）与微悬臂探针之间的相互作用力，来观测样品表面原子或分子的形貌。•探针和样品之间的作用力与两者之间的距离有关，通过改变指针与样品之间的距离，可以测出作用力随位移的变化，从而可以获得力-位移的关系曲线。•在测量中，可以使样品移动（Zs），也可以使微悬臂移动（Zt）。一般采取固定微悬臂、调节样品位置的模式。•用压电扫描器控制样品位置，位移调节精度可达0.1nm。二、力-距离曲线的原理•通常在测定过程中，微悬臂尾部是固定的，处于微悬臂前端的探针在样品原子（分子）的作用下将使微悬臂产生形变。•受吸引力的吸引时，针尖端将向样品弯曲，而受排斥力作用时，向远离样品的方向弯曲。这种形变一般采用光学装置来测量。悬臂与样品逼近与离开过程中，悬臂的形变过程示意图针尖与样品之间的距离D与位移Z的关系•我们通过AFM所测得的原始的力曲线是力-位移曲线，而不是力-距离曲线。•力-距离曲线是通过处理原始数据，计算出针尖与样品之间的真实距离之后，再对应作用力所绘出的曲线。力-距离曲线&力-位移曲线•AFM力-位移曲线并不等同于针尖-样品之间的相互作用，而是针尖-样品的相互作用与微悬臂弹性力F两部分贡献的结果。•力函数根据针尖与样品的性质不同而有不同的形式，假设针尖与样品间的作用力类似于原子间的Lennard–Jones作用力，则LJ作用力-距离曲线典型力-位移曲线•前进线：a-b-c-d•a到b段，F值为负•b点发生跳触（jumptocontact,jtc）,D=0•c点F=0•a’点发生跳离（jumpoffcontact,joc）•后退线：d-c-b’-a’•零力线：样品与针尖相距较远，两者间无作用力•接触区：在接触区内，可以获得样品的粘弹性方面的信息。•前进线非接触区：可以推断样品的表面性质。•后退线非接触区：可以通过试验来粗略地估算样品的表面能，了解大量有关样品粘附性方面的情况。•接触区•理想弹性体：当针尖向理想弹性体的样品施加负荷时，如图c到d段，针尖将进入样品，深度为δ，使样品发生形变，当从d向c移动时，为后退线，负荷将减小。由于样品为弹性体，样品将逐步回复其原形，并向针尖施加等同的力，因此前进线与后退线是重合的。•理想塑性体：如果当针尖向理想塑性体的样品施加负荷后，样品也将发生形变，但当针尖撤去负荷时，塑性样品将保持其受压变形后的形状，即在同一δ位置，负荷F降为零。•我们平常所遇到的大部分情况是上述两种情况的综合表现。因此，前进加载线与后退卸载线是不重合的。•应用：•通过简化模型，多位学者研究了不同假设条件下两个物体间相互作用发生形变的规律，采用所归纳的计算公式可以估算样品弹性系数Ks等参数，从而了解样品粘弹性方面的性质。•测得力-位移曲线后，可以选择合适的力学理论模型来解释力曲线所包含的信息。•常用理论模型：Hertz理论，Bradley理论,DMT理论，JKR理论，Maugis理论等•前进线非接触区•a到b段F可正可负•跳触：针尖-样品吸引力＞微悬臂的弹性力•非接触区中跳触点是关键点，利用跳触点可以计算出针尖与样品粘附力的大小。•跳触强弱与微悬臂的弹性系数（Kc）有关。Kc越大，跳触的过程越短，直至所测定的力曲线为一个连续的曲线，从而观测不到因跳触造成的曲线的不连续性。•后退线非接触区•跳离：微悬臂的弹性力＞针尖-样品粘附力•样品-针尖的粘附力与接触面积、硬度、结构、粘附等特性有关。这涉及到了样品与针尖的表面能。•可以采用DMT和JKR等理论来进一步说明样品与针尖的相互作用。•DMT理论•设想针尖为球体（半径为R），在外力的作用下，针尖压向样品平面。这时，两个物体发生接触，并发生形变，外力增加时，接触面积增大；当外力撤退时，接触面积减小，直到接触面积降为0，这时粘附力Fad达到最大值，按DMT理论，Fad=2πRW（W为接触时的粘附功），在跳离发生时，Fad等于微悬臂的弹性力F。•这一理论适用于小半径的针尖及低粘附作用的体系。•JKR理论•粘附力Fad=3/2πRW•适用于较高的粘附作用体系，且物体的刚性较低，针尖的半径稍大。•Maugis理论•引入参数λ来说明物质的有关性质。参数λ可描述针尖与样品的作用面积，刚性及粘附性。λ减小•在跳离（joc）发生时，粘附力与微悬臂弹性力（F）相等，从而我们可以通过实验估算样品的表面能。尽管这一方法并不能十分准确地估算表面能，但通过对AFM力曲线中跳离过程的分析，我们的确可以了解大量有关样品粘弹性方面的情况。三、应用•生命科学领域•探测DNA复制、蛋白质合成、药物反应等反应过程中的分子间力的作用，若对探针进行生物修饰，可以测量单个配体-受体对之间的结合力。•材料科学方面•AFM可以在纳米尺度上研究薄膜和聚集体的机械性质，能够观察聚合物的聚合，研究LB膜的弹性和粘性，可以通过对样品施加一个已知大小的力来了解样品的塑性变形。•表面化学方面•利用AFM来研究不同物体表面之间的作用力，并通过改变两个表面之间的介质来调节表面的力的性质，并根据实际应用的需要进行调整，以达到人们期望的或相互吸引、或相互排斥的要求。