电解液中静电力分布的可视化检测方案(扫描探针)

Application No. S57Newshttp：//www.shimadzu.com.cn用户服务热线电话： 800-810-0439第一版发行日：2020年12月400-650-0439 ApplicationNews 高分辨率扫描探针显微镜 FM-AFM 电解液中静电力分布的可视化阐明腐蚀和电池反应机理 No. S57 小暮亮雅、山崎贤治、藤井岳直 对用户的好处 可以实现常规扫描探针显微镜无法完成的电解液中静电力分布的测定和可视化。 可用于防腐蚀和电池领域，有助于电动汽车等新能源的开发。 前言 利用电池、IC芯片、内存等材料和物质电势的系统支撑着我们的日常生活。扫描探针显微镜 (SPM/AFM) 中经常采用开尔文探针(KPFM)法测定试样表面的电势，但无法在发生电化学反应的电解液中使用。在在报道中，作者在静电力显微镜(EFM)的基础上建立了新的EFM-Phase-ZXY测量方法，成功实现电解液中静电力分布的可视化。 |超纯水与 NaCl水溶液中云母基底的静电力分布 图1为云母基底表面的静电力的可视化示例。本实验中使用的白云母 (KAISiAl；O10(OH))表面具有负电荷，并已知其负电荷被溶液中的离子中和。通过 EFM-Phase-ZX测定实现了该云母表面的电荷分布、密度的可视化。 (a) X 空间侧 (超纯水) c 大 云母表面 小 10 nm (b) 大 小 图1云母基底上的 EFM-ZX图像(a)超纯水(b)1 mol/L NaCl 图1所示为从横截面方向观察样品的 EFM-ZX图像，图像上部为空间侧(超纯水/NaCl)，黑色虚线位置为云母表面。在图1(a)超纯水中，可以看到空间与样品表面之间存在蓝色层(箭头)。但在图1(b) 1 mol/L的 NaCl水溶液中，观察到图(a)的蓝色层消失，并出现橙色与浅蓝色2层(箭头)。此种层的变化代表云母表面的电荷分布，并认为该图像是 NaCl溶液中云母表面被Na*离子中和形成的双电层。 NaCl 水溶液中玻璃与 Au 蒸镀膜上的静电力分布 图2所示为 50 mmol/L NaCl 水溶液中玻璃与 Au 蒸镀膜上的EFM-Phase-ZXY 测量结果。图2(a)为 ZXY测量时一同获得的形貌图 (XY图)，可以观察到玻璃与玻璃上蒸镀的 Au 膜间的台阶。图2(b)为此形貌图中白色虚线处的 EFM-ZX图像。图2 (c)、(d)为玻璃与 Au 上静电力的ZX图像放大图。玻璃上获得了黄色层(箭头)，而在Au上则没有。因此认为箭头指示的层源自玻璃的静电荷。 (a) m (c) 图2玻璃与 Au 蒸镀膜上静电力的可视化 (a)形貌图(b)EFM-ZX 图像(c)(d)EFM-ZX放大图像图 NaCl水溶液中铜板上的静电力分布 为了模仿更接近腐蚀和电池反应的样品体系，采用市售铜板和50 mmol/L NaCl水溶液， 其EFM-Phase-ZXY测定结果如图3所示。图3(a)为铜板的形貌图，图3(b)为距离铜板表面25 nm位置上的 EFM-XY图像，图3(c)为图3(b)中白色虚线处的 EFM-ZX图像。在形貌图中观察到箭头所示的腐蚀坑的孔，并在图3(b)中，以该孔为起点测定得出与周围静电力不同的区域。此外，在没有明确孔的位置也发现有同样的静电力分布。并且在图3(c)中，发现静电力对从样品表面向空间侧延伸20~40nm左右有影响。认为这些图像中所得静电力分布即为腐蚀和电池反应中的反应场。 (a) 500nm (b) 大 小 大 (c) ma 图3铜板形状与静电力的可视化 (a)形貌图(b)EFM-XY图像(c)EFM-ZX图像 EFM-Phase-ZXY SPM / AFM 中测定样品表面电势的 KPFM 法为人所熟知。KPFM 法在原理上需要在探针-样品之间施加直流电位 (DC)，因此无法用于会产生电学反应的电解液中。 此次，为实现电解液中静电力分布的可视化，确立了『EFM-Phase-ZXY测量』方法。此测量应用 SPM / AFM 的 EFM 原理，检测因静电力而产生的悬臂相位滞后 (Phase)。KPFM 与 EFM-Phase测量的特征如表1所示。EFM-Phase 的主要特点为对可测量的环境没有限制，可完成 ZXY三维测量，但应注意的是，与KPFM 不同， 所得值(图像)为该图像内的相对比较值。ZXY 测量 ZXY方法的详细信息以及由此获得的空间分布的可视化可以在Application News No.S47 和 No.S49 中找到。 表 1KPFM与EFM-Phase的特征 环境 值 维度 KPFM 真空空气 表面电势 XY EFM-Phase 真空空气 非极性溶液极性溶液 电解质 静电力引起的(相位滞后)(EFM-Phase) 相对比较 ZXY 专利申请中：专利申请号2020-171569 仪器配置 此次测量的设备配置与连接图如图4所示。SPM-8100FM 上外部连接有高性能宽带数字锁相放大器(株式会社NF回路设计制造的LI5660)。 图4SPM-8100FM与锁相放大器的连接图(虚线内为SPM-8100FM的标准结构 结论 确立立 EFM-Phase-ZXY 测量方法，它是一种即使在极性溶液中仍可以实现测量和静电力分布可视化的技术。本测量方法可用于防腐蚀和电池领域，有助于电动汽车等新能源的开发。 岛津应用云 ( 免责声明： ) 岛津企业管理(中国)有限公司岛津(香港)有限公司 ( *本资料未经许可不得擅自修改、转载、销售； ) ( *本资料中的所有信息仅供参考，不予任何保证。 ) ( 如有变动，恕不另行通知。 ) 确立了EFM-Phase- ZXY测量方法，它是一种即使在极性溶液中仍可以实现测量和静电力分布可视化的技术。本测量方法可用于防腐蚀和电池领域，有助于电动汽车等新能源的开发。