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從二十世紀(jì)末開始，人類對微觀的探索延伸到了納米尺度。在這個(gè)從僅比原子高一個(gè)層級的尺度范圍內(nèi)，物質(zhì)展現(xiàn)了一種和宏觀截然不同的狀態(tài)和性質(zhì)。表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)帶來的是超高強(qiáng)度、超高導(dǎo)電性、超流動(dòng)性、超高催化活性等等無與倫比的屬性。

在納米尺度下，理想的觀測工具就是原子力顯微鏡。尤其是原子力顯微鏡對各種環(huán)境的兼容性，使其具備了對反應(yīng)過程的原位觀察能力。

島津?yàn)樵恿︼@微鏡配備了專業(yè)環(huán)境艙，可以滿足用戶幾乎所有的環(huán)境控制要求。

該環(huán)境控制艙不僅可以支持液體環(huán)境的觀測，還可以對溫度、濕度、氣氛等環(huán)境量控制，甚至可以設(shè)置真空環(huán)境滿足超高溫、超低溫的實(shí)驗(yàn)要求，以及提供光照滿足光催化、光電等測試要求等。

01液體環(huán)境下鋰電池隔膜的加熱熔融觀察

目前常用的隔膜材料是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或者兩者的混合物。制作工藝有干法和濕法兩種，制作過程又包括流延、拉伸、定型等步驟。工藝和過程都會(huì)影響隔膜的孔隙孔徑、孔隙率等。常用的觀測方法是掃描電鏡法，但是因?yàn)镻E、PP都是絕緣材料，會(huì)形成嚴(yán)重的荷電效應(yīng)，導(dǎo)致觀察圖像失真。因此，原子力顯微鏡是非常合適的觀察工具。

以上三張圖片是用原子力顯微鏡對不同制作工藝的隔膜材料進(jìn)行成像的圖。范圍為5μm×5μm。因?yàn)樵恿︼@微鏡獲得的形貌圖像為三維圖像，因此隔膜多孔結(jié)構(gòu)可被很顯著地表現(xiàn)出來。

對于鋰電池隔膜，除了常溫下的孔隙結(jié)構(gòu)，還需要測試孔隙在不同溫度下的變化。因?yàn)楫?dāng)電池體系發(fā)生異常時(shí)，溫度升高，為防止產(chǎn)生危險(xiǎn)，希望隔膜可以在快速產(chǎn)熱(120～140℃)開始時(shí)，因熱塑性發(fā)生熔融，關(guān)閉微孔，隔絕正極與負(fù)極，防止電解質(zhì)通過，從而達(dá)到遮斷電流的目的。

島津原子力顯微鏡具備完善的環(huán)境控制功能。使用樣品加熱單元從室溫梯度加熱到125°C和140°C，并觀察其表面形狀。范圍為5μm×5μm。隨著溫度的升高，可以看到由于隔膜熔化，孔隙逐漸收縮。對于該實(shí)驗(yàn)，使用島津?qū)ｉT設(shè)計(jì)的環(huán)境控制艙既可以在真空環(huán)境下進(jìn)行，也可以完全模擬鋰電池內(nèi)部的溫度/濕度/電化學(xué)環(huán)境進(jìn)行。

02光催化

二氧化鈦（TiO2）是一種寬禁帶N型半導(dǎo)體，其納米顆粒具有良好的光催化功能。但是因?yàn)門iO2納米顆粒吸收截面非常小，導(dǎo)致光催化效率降低。通過研究發(fā)現(xiàn)，加入貴金屬納米顆粒（如金納米顆粒AuNP）可以提高電荷轉(zhuǎn)移的效率，降低電子與空穴的復(fù)合率，從而提高其光催化性能。AuNP和TiO2的復(fù)合材料的催化機(jī)理已被廣泛研究，反應(yīng)過程中對表面電荷的分布進(jìn)行觀察可以有效闡明催化過程。

原子力顯微鏡的開爾文探針力顯微鏡（KPFM）功能是一種將開爾文定律應(yīng)用于掃描探針顯微鏡（SPM）的分析技術(shù)，不僅可以測量樣品的表面形狀，還可以測量樣品的表面電位分布。因此，嘗試在紫外光照射下對AuNP和復(fù)合材料進(jìn)行表面KPFM掃描，可表征樣品表面上的光致電荷分布（電荷分離）。

利用生物素-鏈霉親和素復(fù)合物可將AuNP有效結(jié)合到TiO2顆粒表面。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，制備兩種樣品，一種是沒有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物的對照樣品，以及使用生物素-鏈霉親和素復(fù)合物的樣品，在照射紫外光及不照射紫外光的條件下，分別測量固定在TiO2上的AuNP的表面電位分布，以可視化光致電荷分布。

生物素-鏈霉親和素復(fù)合物與AuNP作用示意圖

左側(cè)是沒有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物作用下分散在TiO2表面上的AuNP形貌圖與電勢分布圖；右側(cè)是有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物作用下分散在TiO2表面上的AuNP形貌圖與電勢分布圖

從上面兩組圖可以看出，這兩種樣品，在紫外光照射時(shí)AuNP的相對電位都低于TiO2表面的相對電位。

沒有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物（藍(lán)色），有生物素-鏈霉親和素復(fù)合物（紅色）時(shí)AuNP對TiO2表面的相對電位統(tǒng)計(jì)對比

將兩種樣品在有紫外光照射和沒有紫外光照射情況下的表面電位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。白色框圖柱表示沒有紫外光照射，顏色柱表示有紫外光照射。誤差條顯示6-7個(gè)粒子的測量值的中值±IQR。當(dāng)AuNP形成組裝體時(shí)，在紫外光照射下AuNP與TiO2表面的相對電位顯著降低。

03其他環(huán)境下原位測試

各類產(chǎn)品在使用時(shí)會(huì)遇到各種不同的環(huán)境，因此其組成材料也需要耐受相應(yīng)的溫度、濕度、光照等變化。對各類材料的測試標(biāo)準(zhǔn)而言，基本要能夠覆蓋其在生產(chǎn)、運(yùn)輸、工作等各環(huán)節(jié)中遇到的情況。

例如，不同溫度下有機(jī)材料性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。這些變化不僅包括材料表面因熱脹冷縮而發(fā)生的形貌變化，也包括機(jī)械性能的改變。利用原子力顯微鏡對環(huán)境的控制能力和對表面形貌、機(jī)械性能的測試能力，可以很好地完成此類測試。

如上圖所示，在低溫下（-30℃）有機(jī)薄膜不僅表面形貌（左側(cè)圖）發(fā)生了改變，而且低溫也影響了樣品機(jī)械性能，粘彈性（右側(cè)圖）相對于常溫下明顯改變，發(fā)生了脆化。

此外，環(huán)境濕度也會(huì)造成材料性質(zhì)改變，尤其是對水分子有親和性的有機(jī)薄膜材料。

如上圖所示，通過控制環(huán)境溫度和濕度的改變，對樹脂樣品表面形狀變化進(jìn)行觀察。右側(cè)表面（40°C，60%RH）吸收了水份，與左側(cè)表面（28°C，30%RH）相比顯得腫脹。

綜上所示，通過環(huán)境控制艙，有效模擬各類環(huán)境變量，可以為相關(guān)人員提供從基礎(chǔ)研發(fā)到產(chǎn)品測試所有流程的支持。同時(shí)，原子力顯微鏡作為表面屬性觀測的基礎(chǔ)平臺(tái)，也可以提供從形貌觀察到機(jī)械性能測試，甚至表面電磁學(xué)性質(zhì)的研究。

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