材料研究的不斷深入對(duì)微觀尺度上的力學(xué)測(cè)量提出了越來(lái)越高的要求。安東帕Tosca系列原子力顯微鏡(AFM)不僅利用各種成像模式提供高分辨率的三維表面圖像，而且還可以使用力曲線提供靈敏的力學(xué)測(cè)量。Tosca  AFM的力學(xué)測(cè)量具有定位jing準(zhǔn)，針尖尺寸?。{米級(jí)曲率半徑），力學(xué)探測(cè)靈敏度高的特點(diǎn)，對(duì)材料微區(qū)的力學(xué)研究具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

       力曲線通過(guò)Z軸方向壓電陶瓷的受控運(yùn)動(dòng)來(lái) 控制探針和測(cè)試樣品間的作用力。在AFM的形貌成像模式中，探針在XYZ方向上移動(dòng)以記錄三維表面圖像。而在AFM力曲線模式下，探針僅在Z方向上移動(dòng)，由接近樣品表面到從表面退針形成一個(gè)完整的測(cè)試周期，獲得單點(diǎn)上力隨探針Z向位置變化的關(guān)系。AFM 力曲線測(cè)量可以對(duì)測(cè)量的微區(qū)進(jìn)行納米級(jí)的jing準(zhǔn)定位；垂直分辨率可達(dá)到亞納米尺度；力學(xué)分辨率由探針懸臂的特性決定，可達(dá)皮牛范圍。力曲線通過(guò)各種接觸力學(xué)模型的計(jì)算，可以得到樣品的定量力學(xué)性質(zhì)，如楊氏模量和粘附力等。這里我們使用 Tosca 原子力顯微鏡對(duì)共混聚合物薄膜進(jìn)行力曲線的測(cè)量，在由PMMA和SBS共混物組成的薄膜上對(duì)不同成分的微區(qū)分別進(jìn)行力學(xué)性能的分析。

圖1PMMA/SBS共混聚合物的AFM形貌像

       圖1顯示了共混聚合物的AFM形貌圖，從形貌圖中可以清晰地看到兩種成分分布的區(qū)域。紅色的十字標(biāo)記表示力曲線測(cè)量的位置，這里分別在兩種成分的區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)力曲線測(cè)量。

圖2 力曲線原始信號(hào)

圖3力信號(hào)轉(zhuǎn)化后的力曲線

        通常力曲線測(cè)量的原始信號(hào)是懸臂的偏轉(zhuǎn)隨距離的變化，如圖2所示, 其包含靠近(藍(lán)色)曲線和回撤(紅色)曲線作為一個(gè)完整的周期。一旦懸臂與樣品表面接觸，懸臂偏轉(zhuǎn)開(kāi)始改變, 該偏轉(zhuǎn)與探針?biāo)艿淖饔昧ο嚓P(guān)。力曲線所測(cè)量直接得到的是懸臂的偏轉(zhuǎn)，不能直接用于力的定量計(jì)算，需要確定探針和測(cè)試系統(tǒng)的部分參數(shù)后，如懸臂的彈性系數(shù)，系統(tǒng)探測(cè)靈敏度等，在軟件里通過(guò)換算將電壓?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)換為力的單位。在此基礎(chǔ)上，獲得定量的力值（見(jiàn)圖3）。

圖4 力-分離曲線

       為了進(jìn)一步研究材料的力學(xué)性質(zhì)，例如，計(jì)算楊氏模量，力曲線必須轉(zhuǎn)化為力-分離曲線，該曲線反映力與探針-樣品相對(duì)位置的關(guān)系，從而得到樣品的針尖壓入深度的信息。

       圖4顯示了力-分離曲線的靠近階段部分。該曲線通常結(jié)合各種已知的接觸力學(xué)模型 (如Herz、Sneddon等)，以提取楊氏模量的值。這里使用軟件自帶的Sneddon模型，得出圖1中紅色十字所表示的PMMA微區(qū)和SBS微區(qū)的楊氏模量分別為1.41 GPa和226 MPa。

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