本發(fā)明屬于納米力學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種原子力顯微鏡接觸模式表征用碳素材料樣本的制做方法。

背景技術(shù)：

1986年發(fā)明的首臺(tái)afm，彌補(bǔ)stm需要樣品導(dǎo)電的不足，afm利用一個(gè)靈敏度非常高的微懸臂（力常數(shù)在0.02-20n/m），afm的結(jié)構(gòu)如圖1所示：懸臂一端固定在基座上，另一端固定一針尖曲率半徑達(dá)納米級(jí)（1~10nm）的錐形針尖，當(dāng)針尖與樣品靠近時(shí)，樣品表面與針尖之間存在吸引力和排斥力的作用，懸臂發(fā)生彎曲變形，引起激光反射回路在光電接收器上的位置變化，樣品表面的起伏反應(yīng)為力的起伏，從而得到樣品表面高度圖像。因?yàn)獒樇馀c樣品存在力的作用，所以afm不僅能夠得到高度形貌圖像，還能材料表面的物理特性，比如：彈性，硬度，模量，粘附力和表面電荷密度等，通在夠滿足激光光路的正常進(jìn)行時(shí)，過(guò)改變針尖的環(huán)境，在液體、高真空、高溫（300℃）或者低溫下進(jìn)行原位研究。

原子力顯微鏡的工作模式是根據(jù)探針針尖與樣品間“距離-作用力”性質(zhì)的不同進(jìn)行分類。如圖2所示：將曲線劃分為三個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域代表原子力顯微鏡不同的工作模式，主要有3種操作模式：輕敲模式、接觸模式和非接觸模式。

非接觸模式也稱吸引力模式，該模式針尖與樣品間作用力是處于吸引力區(qū)域內(nèi)較弱的長(zhǎng)程范德華力，力值約10-12n。測(cè)樣過(guò)程中控制懸臂在樣品表面上方5～10nm距離處振動(dòng)，不直接與樣品表面接觸，分辨率較低。

輕敲模式下，懸臂在驅(qū)動(dòng)信號(hào)下帶動(dòng)針尖以共振頻率或相近于該頻率振動(dòng)，與樣品發(fā)生間隙性接觸。

接觸模式是afm最直接的成像模式，也是本發(fā)明選用的模式。針尖與樣品間的作用力處在排斥力區(qū)域，力值范圍為10^-10~10^-6n。掃描成像過(guò)程中始終保持針尖與樣品相接觸，可獲得穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。

接觸模式下的橫向力，如圖3，針尖受樣品表面粗糙度的作用，針尖發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生橫向力又稱摩擦力，獲得樣品表面的摩擦力像。正因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖?，使得在測(cè)量不能與基底形成牢固接觸的樣品時(shí)，樣品受摩擦力漂移，不能獲得清晰的樣品形貌，甚至不能獲得形貌。

目前，對(duì)于樣品與基底（云母片、硅片）接觸牢固的樣品，比如：疏水性石墨烯、球狀顆粒（碳管、炭黑、納米金剛石、等），通常采用輕敲模式對(duì)此類樣品進(jìn)行表征，獲得樣品表面的高度形貌圖和相圖，此法能夠獲得表面信息圖像具有精度高、分辨率高、操作簡(jiǎn)單、不污染探針等優(yōu)點(diǎn)，并被廣泛采用。

然而輕敲模式不能獲得樣品表面的力學(xué)信息，包括樣品表面的摩擦力，樣品與針尖的力-距離曲線。若采用接觸模式，則能獲得力學(xué)信息，但是存在的不足時(shí)，當(dāng)樣品與基底基礎(chǔ)不牢固時(shí)，樣品會(huì)才測(cè)量過(guò)程中受橫向力（摩擦力）作用，使樣品發(fā)生橫向移動(dòng)，以致不能獲得清晰的圖像，最后也不能準(zhǔn)確獲得樣品表面的力學(xué)信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種原子力顯微鏡接觸模式表征用碳素材料樣本的制做方法，該碳素材料樣本在接觸模式測(cè)量中沒(méi)有偏移，能夠獲得清晰的高度圖像和納米力學(xué)信息。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

原子力顯微鏡接觸模式表征用碳素材料樣本的制做方法，包括以下步驟：

1）配置濃度為0.1~5wt%的有機(jī)高分子溶液并靜置24h；

2）沾取有機(jī)高分子溶液涂覆在基底材料上，自然干燥至恒重以去除溶劑，使基底材料的表面包覆一層表面平整的高分子薄膜，得到覆膜基底材料，備用；

3）將待測(cè)碳素分子材料均勻分散在良溶劑中，超聲分散30min，獲得呈暗黑色的碳素分子分散液，備用；

4）取碳素分子分散液均勻滴在覆膜基底材料覆有高分子薄膜的一面上，然后在覆膜基底材料的另一面加熱，以使待測(cè)碳素分子材料固定到高分子薄膜上，制得碳素材料樣本，用以在afm接觸模式下進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)定其表面性質(zhì)。

其中：步驟1）中所述的有機(jī)高分子溶液為聚乙烯醇、環(huán)氧樹(shù)脂或聚偏氟乙烯溶液。

步驟2）中所述的基底材料為云母片、硅片或高定向石墨。

步驟3）中所述的待測(cè)碳素分子材料為石墨烯或炭黑。所述的良溶劑為去離子水、無(wú)水乙醇或丙酮。

步驟4）中，在覆膜基底材料的另一面加熱時(shí)間為10~100s，加熱設(shè)備為電吹風(fēng)。

本發(fā)明制備的制得碳素材料樣本能夠用于afm接觸模式下進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)定其表面性質(zhì)，因樣品與云母片基底間存在起固定作用的高分子（樣品有部分陷入高分子），所以樣品在受到橫向力的時(shí)候，不會(huì)發(fā)生漂移。。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

在afm中使用接觸模式，對(duì)于與常規(guī)基底（云母片、硅片）不具有親和性的石墨烯和顆粒樣品，常規(guī)方法不能獲得圖像，而采用本發(fā)明制做的碳素材料樣本，不存在樣品的漂移問(wèn)題，則能夠獲得穩(wěn)定清晰的形貌圖像。

附圖說(shuō)明

圖1為afm結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為afm的工作模式劃分示意圖；

圖3為afm的接觸模式工作原理示意圖；

圖4為pva聚乙烯醇10μm*10μm；

圖5為pva聚乙烯醇2μm*2μm；

圖6為接觸模式下獲得的石墨烯表面形貌圖；

圖7為接觸模式下獲得的炭黑表面形貌圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例一

1）配置0.1wt%的環(huán)氧樹(shù)脂有機(jī)高分子溶液，靜置24h。

2）將有機(jī)高分子溶液用玻璃棒沾取少量的有機(jī)溶液，在高定向石墨基底涂覆一次（僅一次），放在如培養(yǎng)皿中，自然干燥，去除溶劑后，表面則包覆一層表面平整的高分子薄膜。

3）將石墨烯均勻分散在去離子水中，超聲分散30min，獲得呈暗黑色的分散液，濃度不宜過(guò)大。

4）用滴管取半滴分散液，均勻流淌到高分子薄膜的表面，在高定向石墨基底的背面用電吹風(fēng)加熱10s?？蓪⑹┑葮悠饭潭ǖ奖∧ど?，能夠用于afm接觸模式下進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)定其表面性質(zhì)，不受橫向力作用而發(fā)生漂移。

實(shí)施例二

1）配置3wt%的聚乙烯醇有機(jī)高分子溶液，靜置24h。

2）將溶液用玻璃棒沾取少量的聚乙烯醇有機(jī)溶液，在云母片基底涂覆一次（僅一次），放在如培養(yǎng)皿中，自然干燥，去除溶劑后，表面則包覆一層表面平整的高分子薄膜，其表面粗糙度為0.6nm左右，如圖4、5所示，能夠滿足afm測(cè)試的需求。

3）將石墨烯均勻分散在無(wú)水乙醇中，超聲分散30min，獲得呈暗黑色的分散液，濃度不宜過(guò)大。

4）用滴管取半滴分散液，均勻流淌到高分子薄膜的表面，在云母片的背面用電吹風(fēng)加熱50s，以使石墨烯固定到薄膜上，這樣的制成的樣品能夠用于afm接觸模式下進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)定其表面性質(zhì)，不受橫向力作用而發(fā)生漂移，其形貌如圖6所示。

實(shí)施例三

1）配置5wt%的聚偏氟乙烯有機(jī)高分子溶液，靜置24h。

2）將有機(jī)高分子溶液用玻璃棒沾取少量的有機(jī)溶液，在硅片基底涂覆一次（僅一次），放在如培養(yǎng)皿中，自然干燥，去除溶劑后，表面則包覆一層表面平整的高分子薄膜，其表面粗糙度為0.6nm左右。

3）將炭黑均勻分散在丙酮中，超聲分散30min，獲得呈暗黑色的分散液，濃度不宜過(guò)大。

4）用滴管取半滴分散液，均勻流淌到高分子薄膜的表面，在硅片基底的背面用電吹風(fēng)加熱100s?？蓪⑻亢跇悠饭潭ǖ奖∧ど?，能夠用于afm接觸模式下進(jìn)行穩(wěn)定測(cè)定其表面性質(zhì)，不受橫向力作用而發(fā)生漂移，其形貌如圖7所示。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動(dòng)。這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。