牛津仪器发布原子力显微镜AM-FM 粘弹性成像模式的应用解决方案
2014年9月5日

摘  要:本文利用牛津仪器Asylum Research原子力显微镜的纳米机械成像新技术AM-FM粘弹性成像模式,对云母基底上的polystyrene-polycaprolactone (PS-PCL) 聚合物的存储模量、损耗因子等粘弹性特征进行了表征。

关键词:原子力显微镜 ; AM-FM粘弹性成像模式

  1. 介绍

自然界有两类众所周知的材料:弹性固体和粘性流体。弹性固体具有确定的构形,在静载作用下发生的变形与时间无关;粘性流体没有确定的形状,在外力作用下形变随时间而发展。而有一些材料常同时具有弹性和粘性两种不同机理的变形,综合体现弹性固体和粘性流体的特性,材料的这种性质称为粘弹性。粘弹性是影响橡胶材料及相关产品机械性能的重要因素之一,因此材料的粘弹性特征的表征对橡胶等产品质量的保证非常重要。

牛津仪器原子力显微镜所带的AM-FM粘弹性成像模式是强大的纳米机械成像新技术。AM-FM模式能够在纳米尺度上快速且无破坏的对包括存储模量、损耗因子等粘弹性特征进行表征。这种模式是定量测试聚合物、混合物、生物材料、陶瓷以及金属等材料的理想之选。AM-FM粘弹性成像模式是牛津仪器Asylum Research 的Cypher™ 和 MFP-3D™原子力显微镜上独有的模式。

2 AM-FM 粘弹性成像模式

AM-FM模式通过同时施加两个共振频率来获得实验数据。第一个共振用以进行轻敲模式成像,也被称为频率调制模式,而第二个高阶频率用于频率调制。共振时,探针的频率和相位能够敏感的反映样品的特性(比如硬度,粘附力,损耗因子等),从而全面地获得样品的粘弹性性能。同时Cypher™ 和 MFP-3D™能够灵敏准确地测试频率,带来非常微小的相位变化,由此两者结合能够减小误差,提高测试灵敏度。AM-FM能够可视化的快速区分样品中具有不同对比度的组分,并可以通过牛津仪器Asylum Research原子力显微镜内置或客户自定义的模型来计算材料的机械性能。AM-FM具有非常宽泛的适用范围,从小于 1 MPa 到几百 GPa,因此成为了一种适用面广且分辨率高的粘弹性表征的新技术。AM-FM 粘弹性成像模式只是牛津仪器Asylum Research 的NanomechPro™ 工具箱中的一种。

牛津仪器Asylum Research总裁Roger Rroksch说:“AM-FM 粘弹性成像模式是Asylum 的NanomechPro™ 工具箱里最强大的纳米机械表征技术。它能够同时测量各种材料的弹性存储模量和粘性损耗模量或损耗因子。 “AM-FM 结合了普通的轻敲模式成像与定量的高灵敏度的频率调制模式的优点。因为它是基于普通的轻敲模式,所以其具有轻敲模式的所有优点:非常的简单、稳定、容易操作且分辨率高。同时由于其对样品的作用力极小,几乎不会破坏样品,所以可以利用其适用于非常软件的物体。另外还可以通过使用小针尖以降低噪音和进行快速扫描。

3  AM-FM 粘弹性成型模式对PS-PCL聚合物的成像


如图所示为AM-FM 粘弹性成型模式对云母基底上的polystyrene- polycaprolactone (PS-PCL) 聚合物的成像,是利用Cypher S 光热成像模式进行的AM-FM粘弹性成像所获得。图中a 和 c为弹性存储模量,b为粘弹性损耗因子 ,d为 压痕的深度 。其中a和b中的扫描范围为 5 μm ,c和d中扫描范围为1.5 μm 。由此图像中可看出,PS区域(light brown)的存储模量比 PCL 区域 (dark brown)高,而 PCL 区域的损耗因子要高于PS区域的损耗因子。

结论

牛津仪器Asylum Research原子力显微镜上所独有的AM-FM模式能够实现对聚合物、混合物、生物材料、陶瓷以及金属等材料在纳米尺度上进行快速且无破坏的存储模量、损耗因子等粘弹性特征的表征。