力调制模式成像技术

       力调制模式(Force Modulation Mode,FMM)是原子力显微镜的一种扩展功能。力调制模式的原理如下图所示:

AFM力调制模式成像技术原理图

原子力显微镜力调制模式的原理

       在原子力显微镜的接触模式(Contact mode)下,对探针在扫描的垂直方向上额外施加一小的振荡激励,震荡频率(调制频率)远高于扫描速度和系统反馈的响应速度,这样,相当于对探针与样品的作用力大小设置点基础上进行调制,而探针对样品的平均作用力同简单接触模式是相等的。由于探针针尖与样品相接触,表面阻止了微悬臂的振荡并引起它的弯曲。在相同作用力和相同的调制幅度的条件下,样品刚性区域的形变要比柔性区域小很多。也就是说,对于垂直振荡的探针,刚性表面对其产生更大的阻力,随之微悬臂的弯曲就较大。微悬臂形变幅度的变化就是对表面相对刚性程度的测量。在对样品进行扫描成像时,形貌信息(直流或非振荡形变)与代表样品刚度的力调制数据(AC或振荡形变)是同时采集的,因此可以实时同步原位得到样品表面形貌和刚度分布。

       使用力调制技术在那些形貌特征差别不明显的表面上,进行表面相对弹性的观察研究是很有意义的。力调制技术在聚合物、半导体、材料组成和其他领域有着很大的应用前景。

       下图为本原仪器获得的碳纤维/复合材料横截面区域的表面形貌和相对刚度检测结果:

未经处理的碳纤维复合材料力调制检测结果图

未经处理的CF/EP复合材料表面的形貌和相对刚度图像

左:形貌图,右:相当刚度图

氧化处理的碳纤维复合材料力调制检测结果图

氧化处理的CF/EP复合材料表面形貌和相对刚度图像

左:形貌图,右:相当刚度图

       下图为复合材料横截面检测得到的力调制图像和沿图像中虚线的得到刚度分布图:

碳纤维-环氧树脂力调制检测结果

CF/EP力调制图像和刚度分布

左:力调制图像,右:刚度分布图(沿图像中虚线)
碳纤维-环氧树脂碳纳米管力调制检测结果

CF/EP-CNTs力调制图像和刚度分布

左:力调制图像,右:刚度分布图(沿图像中虚线)
碳纤维碳纳米管-环氧树脂力调制检测结果

CF-CNTs/EP力调制图像和刚度分布

左:力调制图像,右:刚度分布图(沿图像中虚线)