高階掃描探針顯微鏡的工業應用實例–新穎表面特性辨識技術

刊登日期:2016/1/5
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新型態掃描模式的發明讓原子力顯微鏡( AFM )的功能大幅提升,已經可以得到與形貌解析度相近的表面力學特性,如變形量、軟硬度、黏性等。除了基本的物理力學特性外,在探針表面修飾不同的化學分子,讓 AFM 具有化學辨識特性,為分子辨識力顯微鏡( MRFM )。工研院材化所獨有的功能性探針修飾技術,可以辨識奈米尺度的親疏水性、電荷分布、沾黏特性及官能基等分子間的作用力分析,為 AFM 的應用性開創更廣泛的道路。
 
新型態AFM定量力學掃描原理
AFM是利用針尖原子與樣品表面原子間微弱的作用力,使懸臂樑產生微位移來作為回饋,以維持針尖能以固定微小力道在樣品上方掃描,從而得知樣品表面的高低起伏。以往AFM掃描模式如接觸式及輕敲式,只能區分材料的少部分特性,例如摩擦力顯微鏡(LFM)與輕敲式的相位訊號。若想細分到底是吸引力或是排斥力、樣品的變形量、黏彈特性等,必須對特定區域取單點的力曲線才可得知更詳細的資訊,如圖一所示。
 

圖一、力曲線示意圖與其所包含的資訊
 
分子辨識力顯微鏡
若在探針表面上修飾特定分子,藉由 AFM 來感測樣品表面分子,可提升樣品表面分子的辨識度,並藉此了解相互間的力學行為,分析鑑定樣品表面的多樣特性。因為力的來源是由於探針上的功能化分子與樣品表面特徵分子間的各種不同物、化性鍵結力,所以這樣的掃描探針技術稱為分子辨識力譜顯微鏡( MRFM )。MRFM 技術,若搭配分子作用力的模擬計算,可以預測表面的分子種類及表面分子官能基的修飾狀況,其解析度甚至可達到單分子辨識及偵測的可能。這方法是利用已知探針上所修飾的材料,經由力譜呈現觀測未知表面的材料分佈,可以增加材料分辨力,加上新型態定量力學 AFM 掃描技術,大幅提升其可用度。
 
微區軟硬度辨識技術應用在混合高分子材料
材料彈性最具代表性的指標數值之一就是楊氏模數。若探針針尖為已知,就可以理論公式 Hertz Model 分析材料的楊氏模數。新型 AFM 掃描模式可以在掃描形貌的同時快速運算出材料的軟硬度,因此可得到與高度相同的高解析度硬度訊號圖。若樣品是混合的高分子材料,且在硬度上有明顯的區分,就可以由硬度訊號圖去區分材料相分離的狀況,確認混合均勻程度。圖二(a)為混合高分子的形貌,不太容易區分兩種材料分布,但由硬度訊號就可以清楚區分出來,如圖二(b)。此功能非常適合應用在需改變材料機械特性的混合型材料,分辨能力可以從數十Pa到數十GPa。

微區親疏水性辨識技術應用在液晶配向膜與纖維材料
一般量測親疏水性是將水滴滴在材料表面,量測其接觸角,判斷表面的親疏水性。量測水滴約毫米大小,因此所量測到的親疏水性是水滴覆蓋面積的整體表現。若材料本身有微區(奈米~微米等級)的親疏水分布,是無法用接觸角量測來獲得真實特性的。再者,接觸角量測很容易受表面粗糙度影響,無法真實呈現實際狀態。本研究室開發的微區親疏水檢測技術,是利用親疏水官能基探針,量測材料表面的黏性分布,辨識微觀區域的親疏水性。在空氣中,親水的 COOH 與 COOH 官能基之間有很強的吸引力。同樣地,在水中,疏水的 CH3 與 CH3 官能基之間也有很強的黏性。因此利用探針末端連接一具有 COOH 或 CH3 末端官能基之探針(以上各自簡稱為 COOH 探針與 CH3 探針),可以偵測微區的親疏水位置 ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


 
圖五、一般探針掃描配向膜的(a)高度影像;(b)黏性訊號,以及官能基探針掃描的(c)高度影像;(d)黏性訊號

作者:高豐生/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」349期,更多資料請見下方附檔。


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