在定位觀察薄膜時(shí),可采用碳納米管定位法以及針尖打孔定位法對(duì)所觀察的樣品進(jìn)行定位,該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品進(jìn)行離位處理之后再次精確定位。在測(cè)量高分子薄膜厚度時(shí),可采用針尖打孔法和漂膜法通過(guò)制備斷面臺(tái)階利用原子力顯微鏡精確測(cè)量薄膜厚度?；谔厥庀喾蛛x形貌的嵌段共聚物薄膜,可采用AFM原子力顯微鏡針尖對(duì)其表面進(jìn)行鍛造納米加工。這些技術(shù)拓展了原子力顯微鏡在聚合物薄膜表征以及納米加工等領(lǐng)域的應(yīng)用。
1986年,Binnig、Quate和Gerber發(fā)明了世界上**臺(tái)原子力顯微鏡從而彌補(bǔ)了掃描隧道顯微鏡不能對(duì)非導(dǎo)體進(jìn)行表面觀測(cè)的缺陷。自誕生之日起,AFM原子力顯微鏡就已成為一種十分重要的掃描探針顯微技術(shù),借助其分辨率高、應(yīng)用范圍廣、破壞性小、分析功能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),在微納米掃描成像領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。如今,原子力顯微鏡已成為聚合物薄膜研究中不可缺少的工具。隨著研究對(duì)象尺寸的不斷減小以及研究的逐步深入,AFM原子力顯微鏡作為單純的掃描成像工具已無(wú)法滿足人們的需求,研究者們紛紛通過(guò)新技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)明,試圖使原子力顯微鏡由一個(gè)單純的掃描成像工具轉(zhuǎn)變?yōu)榧铣上?、測(cè)量、加工于一體的多功能儀器。本文即對(duì)AFM原子力顯微鏡在高分子薄膜領(lǐng)域中的幾種新應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行介紹。
原子力顯微鏡在觀察聚合物薄膜表面形貌中得到了廣泛應(yīng)用。然而,AFM原子力顯微鏡在掃描薄膜表面時(shí)無(wú)法像掃描電鏡那樣能夠大范圍連續(xù)變焦,無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速的精確定位。在實(shí)際研究中,離位觀察嵌段共聚物薄膜的相分離形態(tài)轉(zhuǎn)變或DNA大分子的動(dòng)態(tài)變化時(shí),需要每次觀察時(shí)都能快速準(zhǔn)確地找到同一位置成像,才能進(jìn)行比較,得到動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,如何實(shí)現(xiàn)快速精確的定位就成為實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。
CaoYZ等采用基底劃痕與多壁碳納米管相結(jié)合的定位方法實(shí)現(xiàn)了快速高效的精確定位。在實(shí)驗(yàn)中,首先將云母基底的背面一側(cè)使用很細(xì)的針尖劃出兩條垂直的直線。將適量多壁碳納米管溶于酒精后超聲分散均勻,取一滴分散好的碳納米管溶液旋涂在事先澆注于云母上的薄膜樣品表面,干燥之后即制得碳納米管定位的試樣。
定位分為兩步:(1)劃痕粗定位:由于薄膜樣品和云母基底的透明性,可通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)調(diào)整AFM針尖至事先劃好的十字交叉點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)粗定位,精度可達(dá)5μm×5μm。
(2) MWCNT精確定位:在粗定位區(qū)域內(nèi),用針尖對(duì)準(zhǔn)十字交叉點(diǎn)后掃描樣品表面5μm×5μm范圍區(qū)域,找到一根碳納米管作為精確定位的標(biāo)記,然后進(jìn)行小范圍掃描。
再次觀察時(shí),先找到十字交叉點(diǎn)進(jìn)行大范圍掃描找到碳納米管標(biāo)記,然后縮小目標(biāo)的掃描尺寸,就可實(shí)現(xiàn)樣品離位處理后的再次定位觀察。
CaoYZ等采用該定位技術(shù)研究了聚苯乙烯2聚乙烯/丁烯2聚苯乙烯三嵌段共聚物薄膜在溶劑誘導(dǎo)作用下的形態(tài)轉(zhuǎn)變路徑及機(jī)理。發(fā)現(xiàn)薄膜在熏蒸的過(guò)程中表面的納米管會(huì)被埋沒(méi),因此要求薄膜的厚度盡量小于納米管的平均直徑。
WangY等采用碳納米管定位技術(shù)研究了SEBS單層膜在環(huán)己烷溶劑蒸氣退火下的相分離形態(tài)演變過(guò)程及機(jī)理。經(jīng)過(guò)連續(xù)跟蹤定位觀察1μm×1μm區(qū)域內(nèi)同一碳納米管標(biāo)記附近的結(jié)構(gòu)變化得出采用離位溶劑退火處理之后的薄膜相分離形態(tài)的二維有序化路徑為:無(wú)序短圓柱到有序排列的長(zhǎng)圓柱,*后形成高度有序的六角狀球形結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn),采用劃痕和碳納米管相結(jié)合的定位技術(shù)操作簡(jiǎn)單易行,實(shí)現(xiàn)了原子力顯微鏡的快速、精確定位功能。
除了碳納米管精確定位之外,HongXD等提出了AFM原子力顯微鏡針尖打孔定位技術(shù)。先對(duì)樣品進(jìn)行粗定位,即在樣品表面找到5μm左右的黑點(diǎn)作為粗定位點(diǎn),或人為在樣品表面用鑷子尖做標(biāo)記,在光學(xué)顯微鏡CCD上找到標(biāo)記點(diǎn),用原子力顯微鏡針尖對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)的鄰近位置進(jìn)行大面積掃描,一般在16μm～100μm,然后選取需要定位的區(qū)域,記錄該位置的橫縱坐標(biāo),將AFM原子力顯微鏡從輕敲模式切換到接觸模式,設(shè)定打孔處的位置坐標(biāo),對(duì)云母片基底進(jìn)行打孔,孔的大小可以控制在200nm×200nm至500nm×500nm,孔的深度與針尖的作用力有關(guān),一般在110nm～210nm左右。打孔之后再次切換到輕敲模式掃描,先大范圍掃描找到打孔定位點(diǎn),此時(shí)記下或用照相機(jī)拍下針尖掃描孔洞時(shí)CCD上的針尖頂點(diǎn)與粗定位點(diǎn)的位置方向和間距。
當(dāng)樣品離位處理之后再次觀察時(shí),按照記下的針尖與粗定位點(diǎn)的位置和間距來(lái)調(diào)整下針位置后大范圍掃描,找到打孔定位點(diǎn),然后減小掃描尺寸,重復(fù)定位精度可達(dá)逐漸縮小。這種針尖打孔定位方法可以選擇樣品表面的特定區(qū)域做標(biāo)記,不會(huì)破壞樣品表面的絕大部分形貌及結(jié)構(gòu)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠束或聚集體樣品離位處理后的形態(tài)轉(zhuǎn)變路徑的多次重復(fù)定位跟蹤,在中間位置的黑色方框?yàn)獒樇獯蚩鬃龅臉?biāo)記,其右下方區(qū)域是需要定位觀察的樣品的初始形態(tài),可以對(duì)樣品進(jìn)行離位處理后再次觀察該區(qū)域的樣品形貌,進(jìn)而獲得同一樣品的形貌轉(zhuǎn)變路徑及規(guī)律。