实验三　使用原子力显微镜（AFM）分析纺织材料形貌

一、实验原理

1665年，光学显微镜首次出现，推动了科学技术的发展，但光的衍射效应限制了光学显微镜的分辨率。随后扫描隧道显微镜的发明提高了所观察物体的分辨率，但因其工作依靠隧道电流，只能用来观察导电材料。为了解决这一问题，科学家在扫描隧道显微镜的基础上发明了原子力显微镜（AFM）。AFM通过装有针尖的弹性微悬臂的振动检测样品的表面形貌。当针尖通过样品表面时，针尖与样品面的相互作用力会引起微悬臂的形变。照射在悬臂背面的激光束通过反射镜反射到对位置敏感的光电探测器中，悬臂会随样品表面形貌的起伏而发生弯曲，同时探测器上激光的位置会发生相应移动。最终检测器通过测量针尖的位移量，并将这些信息输入计算机，经过处理即可还原样品表面的形貌像。当前AFM的主要扫描模式为接触模式（Contact mode）、非接触模式（Noncontact mode）、轻敲模式（Tapping mode）和自动扫描模式（ScanAsyst mode）。

二、样品准备

根据样品种类的不同，各种显微镜对其前处理过程有不同的要求。比如对生物样品进行测定时，电子显微镜必须对样品进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理；激光共聚焦显微镜拍摄前须对样品进行特殊的荧光染色；扫描隧道显微镜要求物质具有表面导电性，否则要进行镀金处理。而利用AFM观察样品时无须导电、低温真空等条件，只需对样品进行简单固定处理便可直接观察，但是其成像载体、基底的处理等对成像质量有很大的影响。

（一）成像载体

AFM的成像载体有很多种，如云母片、玻璃片、石墨、二氧化硅、生物膜等。在空气中观察时，云母片是应用最广泛的基底。云母片、玻璃及氧化硅在中性条件下带负电，所以中性条件下带正电的样品可以通过简单吸附进行固定。

（二）基底处理

若是云母片作为基底，一般是用胶带纸将干净的云母表面剥离，洗耳球吹净云母表面由于剥离而可能产生的碎片，得到干净、平坦且不导电的云母片。若是硅片作为基底，一般先用有机溶剂将硅片浸泡，处理干净。

（三）样品制备

对于溶液类样品，先将分散好的溶液类样品直接滴加到云母上，吸附一定时间后，用滤纸吸干、自然晾干或氮气吹干的方法去掉多余的水分，就可进行观察。对于纺织材料中的纤维类样品，需将表面处理达到测试要求的样品裁剪至边长不超过15mm，直接用双面胶黏附在云母或者硅片基底上，再将云母或者硅片粘贴在仪器配套的尺寸合适的金属样品托上进行观察（注意：样品尺寸不能超出载物台大小，粘贴必须平整，避免一端高一端低，且样品的纵向落差不应超过仪器扫描管的Z轴限定值）。液体环境下观察时需要将样品放在专用的液体池中。

（四）样品放置

将提供的磁性样品盘固定于样品台上适当的位置或将粘好样品的样品托吸附在磁性样品盘上（图1-3-1）。

三、实验仪器简介

本实验使用仪器为Bruker MultiMode 8原子力显微镜（图1-3-2）。该仪器采用NanoScope V控制器，具有先进的数字架构、高数据带宽、低噪声数据采集和良好的数据处理能力，使其具有领先的高分辨率和高性能。同时，MultiMode 8原子力显微镜拥有独特的ScanAsyst模式，采用其先进的自动图像优化技术，避免了复杂的参数调节步骤，图像获得更加简便。

四、实验操作步骤

（一）空气中样品测试

1.开机　先打开计算机和显示器，再打开AFM控制器。

2.启动软件　双击桌面Nanoscope 8.15图标，进入仪器操作界面。选择扫描模式（ScanAsyst、Tapping、Contact等），然后点击“Load”，进入该模式的界面（图1-3-3）。

3.装样　将固定在铁片上的样品放入带有磁性的样品台上，使其吸住铁片和样品。注意调节样品台高度，通常应使样品的上表面不明显高于探针头上的支点顶部，以防止装探针夹时探针直接压到样品上而损坏探针。

4.安装探针

（1）选择合适的探针和探针夹。对于空气中的ScanAsyst模式，一般选用ScanAsyst in air探针；对于空气中的Tapping模式，一般选择RTESP探针；对于空气中的Contact模式，一般选择DNP或SNL探针。如果在液体中操作，ScanAsyst模式选用ScanAsyst in fluid探针，而无论Tapping还是Contact模式，都选择DNP或SNL探针。需要注意的是，实际使用的探针种类应根据测量需求恰当选择，也可以使用其他合适的探针来代替推荐的探针进行成像。

（2）安装探针。在空气中测试时，将探针安装在tip holder上。安装时，把holder翻转放在桌面上，轻轻下压，使里面凹槽内的金属片微微上翘，随后装入探针，并松手使金属片压紧探针（图1-3-4）。

（3）安装探针夹。将探针夹对准扫描头底部的三个触点轻轻插入，避免撞到下方样品，并拧紧位于扫描头卡槽右侧中部的螺丝，将探针夹固定住。需要注意的是，操作时务必注意控制探针和样品台之间的距离。如果探针和样品台距离过近，请执行“Motor”菜单下的“Withdraw”命令多次，向上移动Z轴，使探针和样品台保持安全距离。

5.调节激光　扫描头上部右侧有两个激光调节旋钮，并有两个箭头标明了顺时针旋转激光调节旋钮时激光光斑位置的移动方向，保证将激光打在悬臂前端。

（1）矩形悬臂探针的调节激光（图1-3-5）。取一张白纸置于扫描管正下方，红色的激光光斑将反映在白纸上。若看不到激光光斑，逆时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到看到激光光斑。在通常情况下，逆时针旋转右后方的激光调节旋钮可以将激光光斑调出，但若激光光斑远远偏离正常位置，可能无论如何旋转右后方的激光调节旋钮也无法看到激光光斑。此时请目测激光点打在探针夹上的位置，使用两个调节旋钮将激光光斑调节到正常位置。

顺时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到激光光斑消失。这时，激光应该打在探针基底的左侧边缘上。逆时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到激光光斑刚好出现（位置1）。

顺时针或逆时针旋转左前方的激光调节旋钮，直到激光光斑突然变暗，继续旋转旋钮则又变亮。调回光斑突然变暗的位置，此时激光应该打在悬臂的后端（位置2）。

逆时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到看到激光光斑。顺时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到激光光斑刚好消失，此时激光应该打在悬臂的最前端（位置3）。

（2）三角形悬臂梁探针的调节激光（图1-3-6）。取一张白纸置于扫描管正下方，红色的激光光斑将反映在白纸上。若看不到激光光斑，逆时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到看到激光光斑。在通常情况下，逆时针旋转右后方的激光调节旋钮可以将激光光斑调出，但若激光光斑远远偏离正常位置，可能无论如何旋转右后方的激光调节旋钮也无法看到激光光斑。此时请目测激光点打在探针夹上的位置，使用两个调节旋钮将激光光斑调节到正常位置。

顺时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到激光光斑消失。这时，激光应该打在探针基底的左侧边缘上。逆时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到激光光斑刚好出现（位置1）。

顺时针或逆时针旋转左前方的激光调节旋钮，直到看到激光光斑被遮挡两次。调回两次相继遮挡位置的中心位置，此时激光应该打在三角悬臂的镂空处。匀速旋转旋钮，可以根据两次遮挡出现的间隔来判断悬臂的大小（位置2）。

逆时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到看到激光光斑被挡住后又再次出现。顺时针旋转右后方的激光调节旋钮，直到激光光斑刚好消失，此时激光应该打在悬臂的最前端（位置3）。

6.调整检测器位置　扫描头左侧有两个检测器位置调节旋钮，旋转这两个旋钮调节Vert.Defl.和Hori.Defl.到合适的值。对于ScanAsyst模式，将Vert.Defl.和Hori.Defl.调节到0；对于Tapping模式，将Vert.Defl.和Hori.Defl.调节到0；对于Contact模式，将Hori.Defl.调节到0，Vert.Defl.调节到-2V。正确调节完毕后，对于无金属反射镀层的探针（如用于Tapping模式的RTESP探针），SUM值应在1.5～2.5V；对于有金属反射镀层的探针（如用于ScanAsyst模式的ScanAsyst in air、Contact模式的DNP或SNL探针），SUM值应在5V以上（图1-3-7）。

7.进针　执行Motor菜单下的Engage命令，或点击Engage图标。如果需要更换扫描位置，先执行Motor菜单下的Withdraw命令或点击Withdraw图标，使探针远离样品表面，用轨迹球找到待扫描的位置后，再执行Engage命令进针。

8.扫描图片　仪器完成自动进针后，即开始扫描图片。在ScanAsyst模式下，仪器会全程自动实时优化参数；在Tapping及Contact模式下，需要根据图像情况实时手动调整Setpoint、Integral Gain和Proportional Gain，优化图像质量。

9.存图　执行Capture菜单下Capture Filename命令给需要保存的图像命名。调整好扫描参数后，执行Capture菜单下的Capture命令保存图像。

10.退针　将Scan Size、X Offset、Y Offset和Scan Angle均设置为0。多次执行Motor菜单下的Withdraw命令或者点击Withdraw图标。该命令可以多次执行。待探针远离样品表面后，取下样品。

11.关机　依次关闭软件、控制器及计算机和显示器。注意严格按照顺序关闭仪器。

（二）液态样品测试

液态样品测试中，装针、装样方式与空气样品测试有区别，其他步骤相同。

1.安装探针

（1）探针选择。推荐使用V型氮化硅悬臂梁的探针，如NP、SNL等。实际使用的探针种类应根据测量需求恰当选择，也可以使用其他合适的探针来代替推荐的探针进行成像。

（2）液体池。液相操作下，探针安装在液体池内。液体池底部有一凹槽，用于放置探针；凹槽处有一镀金的不锈钢丝夹，与顶面的小弹簧相连，用于固定探针。

（3）安装探针。一手拿稳液体池，用手指通过从底部轻轻按压弹簧将钢丝夹顶起（图1-3-8）。用力不要太大而将弹簧完全压缩，不要将探针夹置于桌面等硬物上压按。用镊子轻轻将探针装入槽内，松开顶起的钢丝夹使探针固定。确认探针位置放正，侧部及底部分别与凹槽的两边平齐。

2.装样品

（1）方法一：开放体系（不使用O圈）。将样品固定在样品托（不锈钢小圆片）上，并将样品托放入样品台上通过磁性吸稳。

通过电动机开关升高Head，使得Head底部平面基本与样品表面持平。液体池结构与普通探针夹有所不同，因此在放上液体池之前，Head要升得比在空气中测试时更高。

探针所在的液体池面向上，用注射器在探针位置处滴加1～2滴液体，再将液体池探针面转为向下，这时可以看到液滴悬于探针所在位置。该操作可防止探针直接接触样品表面的液体时产生气泡而影响测试。

将悬着液滴的液体池放在Head里，拧紧Head背部的旋钮。这时，原来已经调好的SUM值由于液体环境引起的光路偏折，会明显减小。这时只需调节Head背后的反光镜，将SUM值重新调为正常值。然后调整左侧旋钮，将Vert和Horz值调为0。

（2）方法二：封闭体系（使用O圈）。将O圈装入液体池下部的凹槽上，将样品固定在样品托（不锈钢小圆片）上，并将样品托放入样品台上通过磁性吸稳。

通过电动机开关升高Head，使得Head底部平面基本与样品表面持平。液体池结构与普通探针夹有所不同，因此，在放上液体池之前，Head要升得比空气中实验时更高。

将液体池放在Head里，拧紧Head背部的螺母。确保O圈稳定地扣在样品上，而没有覆盖任何样品的边缘。

用Base上的Up/Down开关降低Head，使O圈能与样品之间形成一个封闭空间。

用注射器向液体池的管口注液。注液以后激光的SUM值会明显减小。这时调节Head背后的反光镜，将SUM值重新调为正常值。然后调整左侧螺母，将Vert和Horz值调为0。

（三）离线图像处理

1.Flatten　对于高度图来说，由于扫描管Z电压的漂移，样品本身的倾斜，以及扫描管Bow等原因，扫描获得的原始高度数据实际上偏离了样品的实际形貌。所以必须对这种情况进行纠正。Flatten采用X方向逐条处理扫描线的方式对图像进行纠正。

（1）打开相应的图像文件。

（2）点击“Flatten”按钮。

（3）选择相应的Flatten Order。

0th：去除Z方向的漂移，将Z中心调整到零点附近。

1st：纠正样品和探针之间的倾斜。

2nd：纠正扫描管造成的大范围扫描的曲面。

3rd：更复杂的曲面纠正可能会造成图像假象，请不要轻易使用。

高阶的Flatten包含了低阶的Flatten，例如：阶处理时就包含了1阶和0阶Flatten。

（4）Mask。如有必要可在图像上选择相应Mask（按住鼠标左键拖拽），这是为了避免非基线位置干扰基线的确定。如图像上有大坑或者十分突出的地方需要用Mask。

（5）完成。点击“Execute”完成Flatten。

2.Plane Fit　对于构成比较简单的图，如玻璃片上的细胞等，也可以采用Plane Fit对图像X、Y方向同时进行纠正。Plane Fit的作用跟Flatten类似，但拟合使用的多项式更复杂。Plane Fit的基本步骤如下。

（1）打开相应的图像文件。

（2）点击“Plant Fit”按钮。

（3）选择相应的Plane Fit Order。

（4）在图像上选择相应的区域定义Plane Fit的区域（按住鼠标左键拖拽，处理时认为该区域是一个平面，然后进行纠正）。

（5）点击“Execute”完成Plane Fit。

只有高度图才需要进行Flatten或Plane Fit处理。其他的性质图，直接保存原始数据，除非只想看表面上某性质的相对差别。

3.3　D图像

（1）点击3D图像分析按钮。

（2）在图像上按住鼠标左键拖拽图像，获得理想的浏览3D视角。

（3）点击“Export”，设置相应的路径保存即可。

4.截面分析　点击截面分析按钮。在右边Section数据上拖拽两条垂直虚线选择分析的位置，在下面可以得到相应的结果。

5.粗糙度分析　点击粗糙度分析按钮，从结果中读出对应的粗糙度。Image Rq和Image Ra即为整幅图片的粗糙度数据。如果在图像中选择相应的区域（按住鼠标左键拖拽），也可以读出相应区域内的值。其中，Rq表示均方根粗糙度，Ra表示平均粗糙度。

6.Depth分析　点击“Depth”分析按钮，按住鼠标左键拖拽选取分析的区域，读取Peak to Peak Distance值即可。

五、实例分析

（一）纤维与纱线表面形貌的观测

利用AFM可以对纺织品的微观形貌进行分析，且不需要对样品做复杂前处理，有利于对样品真实微观形貌的保护。本实例分析主要以静电纺丝纤维膜为拍摄对象，讨论不同参数下的图片效果（图1-3-9）。图1-3-9（a）显示了静电纺纤维膜，当认为样品表面清晰度欠佳时，为了使增益与样品表面的状态相符，一般的调节方法是在Contact模式中增大Deflection Setpoint，或在Tapping模式下减小Amplitude Setpoint，直到两条扫描线基本反映同样的形貌特征，图像清晰度会有所增加[图1-3-9（b）]。随着扫描范围的增大，扫描速率必须相应降低。对于大范围的、起伏较大的表面，扫描速率调为0.7～2 Hz较为合适。大的扫描速率会减少漂移现象，但一般只用于扫描小范围的、很平的表面[图1-3-9（c）]。当扫描速率、Setpoint等都合适的状态下，图像清晰度明显提高，微观形貌更加清楚[图1-3-9（d）]。

（二）纤维与织物物理性能的检测

利用AFM研究纤维与织物的表面粗糙度、模量等相关物理性能，能够帮助研究人员从微观角度了解纤维与织物的物理性能，进而有助于对宏观性能的调控。图1-3-10测量了纳米丝素纤维膜的表面形貌及整个图片粗糙度（Image Rq和Image Ra），同时测量了所选区域的粗糙度（Rq为多选区域的均方根粗糙度，Ra表示平均粗糙度）。

（三）医用纺织材料组装与降解机理研究

近年来，随着科技发展，纺织材料日益丰富，应用范围不断扩大，人们对医用纺织品的需求也持续增加，对生物医用纺织品的机理研究日渐深入。将0.003%的家蚕丝素溶液置于60℃进行浓缩[图1-3-11（a）]，浓缩过程中的形貌变化如图1-3-11所示，随着丝蛋白浓度增加，丝蛋白单分子纤维逐渐转变成尺寸不同的纳米颗粒，进而形成相应的纳米纤维。当浓度增加到0.009%时，溶液中出现大量直径在45nm和79nm左右的颗粒[图1-3-11（b）]。继续浓缩至0.03%，溶液中颗粒减少，同时出现了纳米纤维[图1-3-11（c）]。对丝素溶液结构转变的研究，有助于从微观领域研究模拟蚕丝吐丝过程。