纳米3D材料中物性分析检测方案(扫描探针)

News用户服务热线电话： 800-810-0439第一版发行日：2020年2月400-650-0439 ApplicationNews 扫描探针显微镜 建立 SPM 的新测量方法 ZXY测量-克服不长的测量- A. Kogure， K. Yamasaki， T. Fujii 关键词： SPM-9700：纳米3D 物性分析、SPM-8100FM： ZXY 测量、广视野50um以上、柔软样品、细胞、起伏较大的样品、起伏 1um 以上、对象： SPM用户、激光显微镜用户、高分子、生物样品 摘要 为保证探针-样品之间恒定的相互作用力， SPM 一般采用对样品表面进行扫描的勺“XY测量”方法获取数据。XY 测量具有扫描速度快、平面分辨率高的特点，是各种测量模式的基础。但是， SPM 同时也存在对“广视野”、 “柔软样品”、 “起伏大的样品”测量困难的缺点。我们已经成功开发了“ZXY测量”以克服这些缺点，现报告如下。 XY 测量与 ZXY测量 图1所示为传统方法XY测量和新方法 ZXY 测量。XY测量在 SPM 中最常用的方法，其工作原理是探针始终位于样品附近，在保持探针-样品间恒定的相互作用力的同时对样品表面进行扫描。所得到的图像是X·Y的二维信息，表面形貌图像以对比度形式显示，凸起部位亮、凹陷部位暗。由于测量速度快，平面分辨率高，它已经成为各种测量模式的基础。另一方面，由于探针和样品始终处于接近状态，探针与样品存在因碰撞而导致损伤的风险。具体问题如下。 ·广视野的测量 →扫描面积越大，扫描时间越长 ·柔软样品的测量 →探针会拖拉样品，导致其沿扫描方向变形 ·起伏大的样品的测量 →探针不能很好的追踪样品表面 与之相比，新方法ZXY 测量是以力曲线测量为基础。力曲线是探针与样品之间的距离(Z)在垂直方向发生较大变化(接触和脱离)的同时测量探针受到的力。该方法是对×方向进行连续测量，首先创建ZX测量面，然后沿Y方向对该ZX测量面进行连续测量，形成包含Z、X、Y三维信息的 ZXY测量面。采用该方法测量时，由于探针位于样品附近，接近所需时间短，而且，在接近期间探针在扫描方向没有动作，因此不存在 XY测量的缺点。此外，可以通过 ZXY 测量数据，-一次性绘制“高度图像”” "ZX图像”、 “吸附力图像”等。下面通过实例对这些特点进行说明。 仪器 图2所示为可支持 ZXY测量的仪器。 SPM-9700 系列需要使用选配的纳米3D物性分析软件。 SPM-8100FM 使用 ZXY 测量模式进行测量。 SPM-9700 系列的纳米3D物性分析软件 SPM-8100FM 图2SPM-9700HTTM 和 SPM-8100FM 广视野的测量 图3所示为市售的伸缩性薄膜的高度图像。扫描范围XY为100um、高度Z为1.5um左右。在传统的 XY 测量中，需要对悬臂的振幅、扫描速度及各种增益等参数进行调整，而采用 ZXY测量方法进行测量时，不需要调整上述参数。另外，对如下图所示的图像(256×256像素)测量时，使用 XY测量可能需要花费40分钟以上的时间，而使用 ZXY 测量，大约只花费了25分钟。 50 um 图3市售的伸缩性薄膜高度图像 柔软样品的测量 图4所示为活的 HeLa细胞测量案例。通常，活体细胞非常柔软，探针会沿扫描方向拖拉样品，很难保证测量的准确性。但是，如果使用 ZXY 测量， 则可以在不发生变形的情况下测得细胞的形状。扫描范围为50um， 高度差为7um。图(a)中箭头位置的ZX图像如图(b)所示。它是从断面方向观察样品的，在这里还可以获得样品的变形量。上述详细内容已记载于应用新闻 S38中。 图4活HeLa 细胞(a)高度图像(b)ZX图像 起伏大的样品的测量 图5所示为市售的橡皮断裂表面测量示例。扫描范围XY为 50um、高度为5pm， 并且存在2~3um的起伏。在XY测量中，探针很难跨越陡峭的台阶，会形成较大的干扰条纹。有些情况下，大的起伏还有可能对探针造成很大的损伤。但是，使用 ZXY 测量，不仅可以顺利完成起伏较大的样品测量工作，还可以完成这种大的起伏样品表面吸附力分布的分析测试，从而了解橡皮中的添加剂的分散情况。 (a) 20 pm (b) 图5市售橡皮的断裂表面(a)高度图像(b)吸附力图像 总结 ZXY测量是一种克服了了统的 SPM 不擅长的“广视野”.“柔软样品”、 “起伏大的样品”测量难题的新方法。 SPM-9700HT 是岛津制作所株式会社在日本及其他国家的商标。 岛津应用云 岛津企业管理(中国)有限公司岛津(香港)有限公司 http：//www.shimadzu.com.cn 为保证探针‐样品之间恒定的相互作用力，SPM一般采用对样品表面进行扫描的“XY测量”方法获取数据。XY测量具有扫描速度快、平面分辨率高的特点，是各种测量模式的基础。但是，SPM同时也存在对“广视野”、“柔软样品”、“起伏大的样品” 测量困难的缺点。我们已经成功开发了“ZXY测量”以克服这些缺点。