Dybdeafgift:Brug af Atomic Force Microscopy til at studere strukturer på overfladen

I løbet af de sidste par årtier har atomkraftmikroskopi (AFM) er fremstået som et kraftfuldt værktøj til billeddannelse af overflader med forbløffende opløsninger - brøkdele af et nanometer i nogle tilfælde. Men antag, at du er mere bekymret over, hvad der ligger under overfladen? Forskere ved National Institute of Standards and Technology har vist, at under de rigtige omstændigheder, overfladevidenskabelige instrumenter som f.eks. AFM kan levere værdifulde data om betingelser under overfladen.

Deres nyligt udgivne* arbejde med kolleger fra National Aeronautics and Space Administration (NASA), National Institute of Aerospace, University of Virginia og University of Missouri kan være særligt nyttige ved design og fremstilling af nanostrukturerede kompositmaterialer. Ingeniører studerer avancerede materialer, der blander carbon nanorør i en polymerbase til en lang række højtydende applikationer på grund af de unikke egenskaber, såsom overlegen styrke og elektrisk ledningsevne, tilføjet af nanorørene. Det materiale, som forskergruppen har valgt som deres testcase, for eksempel, bliver undersøgt af NASA til brug i rumfartøjsaktuatorer, fordi det kan overgå den tungere keramik, der nu bruges.

Men, siger NIST -materialeforsker Minhua Zhao, "et af de kritiske spørgsmål at studere er, hvordan carbon nanorørene fordeles i kompositten uden egentlig at bryde delen. Der er meget få teknikker til rådighed for denne form for ikke-destruktiv undersøgelse." Zhao og hans kolleger besluttede at prøve en usædvanlig anvendelse af atomkraftmikroskopi.

AFM er faktisk en familie af instrumenter, der arbejder på den samme grundlæggende princip:et sart nålelignende punkt svæver lige over overfladen for at blive profileret og reagerer på svage, atomkræfter. En typisk AFM fornemmer såkaldte "van der Waals kræfter, "meget kortdistancekræfter, der udøves af molekyler eller atomer. Dette begrænser instrumentet til overfladen af ​​prøver.

I stedet, holdet brugte en AFM designet til at bruge de stærkere, længere rækkevidde elektrostatisk kraft (teknisk set en EFM), måling af interaktionen mellem probespidsen og en ladet plade under den sammensatte prøve. Hvad får det til at fungere, siger Zhao, er, at nanorørene er elektriske ledere med høj dielektrisk konstant (et mål for, hvordan materialet påvirker et elektrisk felt), men polymeren er et lavt dielektrisk konstant materiale. Sådanne enorme dielektriske konstante forskelle mellem nanorør og polymeren er nøglen til succes med denne teknik, og med korrekt valgte spændinger viser nanorørene sig som fint detaljerede fibre spredt under kompositens overflade.

Målet, ifølge Zhao, er at kontrollere processen godt nok til at tillade kvantitative målinger. På nuværende tidspunkt kan gruppen skelne mellem forskellige koncentrationer af carbon nanorør i polymeren, bestemme ledende netværk af nanorørene og kortlægge elektrisk potentialefordeling af nanorørene under overfladen. Men målingen er ret vanskelig, mange faktorer, herunder sondeform og endda fugtighed påvirker den elektrostatiske kraft.

Teamet brugte en specialdesignet sondespids og en patenteret, NIST-designet AFM luftfugtighedskammer. ** Et interessant, endnu ikke fuldt ud forstået effekt, siger Zhao, er, at forøgelse af spændingen mellem sonden og prøven på et tidspunkt får billedkontrasten til at vende, mørke områder bliver lyse og omvendt. Teamet studerer mekanismen for en sådan kontrastinversion.

"Vi optimerer stadig denne EFM -teknik til billeddannelse under overfladen, "siger Zhao." Hvis dybden af ​​nanostrukturer placeret fra filmoverfladen kan bestemmes kvantitativt, denne teknik vil være et kraftfuldt værktøj til ikke -destruktiv billeddannelse under overfladen af ​​høje dielektriske nanostrukturer i en lav dielektrisk matrix, med en bred vifte af applikationer inden for nanoteknologi. "