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島津原子力顯微鏡——表面之上（一）
原子力顯微鏡是一種典型的表面分析工具。利用探針和表面的作用力，獲取表面形貌、機械性能、電磁學性能等信息。但是，表面的狀態往往是反應過程的最終表現，想要了解反應的動力學過程，只是著眼于“表面”明顯就不夠了。此外，對表面狀態的誘發因素，也很難從表面的信息中獲得。所以，表面的是最容易觀察到的，但要究其根本，知其所以然，我們的視線要向“上”看，研究“界面”處的信息。表面之上，讓表面不再膚淺。
以原子力顯微鏡最基本的“力-距離”曲線為例。如下圖所示，探針逐漸靠近樣品表面直至接觸，施加一定的作用力后再緩慢提起。
在這個過程中，探針感受到的力和探針與樣品表面間的距離標化曲線如下圖。在逐步接近樣品時，探針會受到一個吸引力，表現為曲線向負值方向有一個凹陷；然后逐步施加力至正值，停止；然后后撤探針，在脫離表面前會受到一個粘附力，形成第二個負值方向的凹陷。
比較探針壓入和提出的過程，探針的受力有一個明顯的變化就是在提出過程中增加了探針表面與樣品表面的粘附力作用。同時還要考慮樣品表面的應力形變恢復帶來的應力與吸附力作用距離延長。因此，從“力-距離”曲線中，我們可以獲得壓入-提出過程中，探針與樣品保持接觸階段作用力的變化，由此分析得到楊氏模量；除此之外，在探針與樣品表面脫離接觸后，其范德華引力與粘彈性力在“界面層”仍然處于變化之中。分析這個階段的粘附力力值和作用距離等數據，可以獲得彈性形變恢復、粘性樣品拉伸長度等信息。
以上是針對一個點的分析，如果對一個面的每一個測試點都作如此分析，也就是通常所做的面力譜分析。如下圖所示。
一般而言，面力譜分析獲得的是各類機械性能的面分布情況。如下圖所示。
但是，如果每一個測量點，我們都做如上的分析，還可以得到在垂直方向上，在探針針尖已經脫離了和樣品表面的接觸后的受力狀態。從而獲得了從表面向上一段距離內的力變化曲線。這樣的數據用一個三維的圖像表現出來呢，會給人更直觀的認識。如下圖所示。
通過顏色變化表征垂直分布的力值變化，可以直觀看到樣品表面在受到壓力后壓縮和恢復程度，以及粘彈力的持續距離。前者可以反映樣品的力學特征，后者可以反映表面化學成分，這個特征尤其在電化學和膠體科學領域非常重要。
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