碳纤维AFM探针的制备及其性能研究

Atomic force microscopy (AFM) is a common characterization instrument. The development of carbon fiber probes with ideal morphology is an effective approach to improving the force sensitivity, spatial resolution, and application scope of AFM based on quartz tuning fork sensors. In this project, carbon fiber probes with exponential profiles, high successful rate, high stability, long service life, excellent electrical and mechanical properties, and molecular recognition ability will be prepared by electrochemical etching and chemical functionalization. The correlation between the radial distribution of the structure and mechanical properties of carbon fiber will be explored by radius profiling. Based on the analysis on conditions affecting the morphology, state and properties of carbon fiber probes, the relationship between the preparation parameters and the performance of carbon fiber probes will be established, and the optimized preparation conditions via electrochemical etching were obtained. By constructing the electrochemical model of carbon fiber corrosion, the mechanism of the formation process of carbon fiber probes will be revealed. To obtain the molecular recognition ability of carbon fiber probes, functional groups will be introduced on the surface of the tip. Using carbon fiber probes, simultaneous detection of electrical and mechanical properties of micro-grooves and rough samples will be achieved. The implementation of the project will improve the characterization capabilities of AFM at the nanoscale, expand its application fields, and provide scientific basis for the preparation of novel AFM probes.

原子力显微镜（AFM）是一种常见的表征仪器，开发能够结合石英音叉且具有优异性能的碳纤维探针是提高AFM的力灵敏度、空间分辨率和应用范围的有效途径。本项目通过电化学腐蚀法和化学修饰法，制备具有指数曲线轮廓、制备成功率高、稳定性好、使用寿命长且具有优异电学、力学性能和分子识别功能的碳纤维AFM探针。采用径向剖析法，研究碳纤维的结构和力学性能径向分布函数的耦合关系。通过电化学腐蚀法制备碳纤维探针，系统分析影响碳纤维探针形貌、状态和性能的条件，建立制备工艺参数与探针性能之间的回归方程，获得最佳的制备工艺条件。并通过构建碳纤维腐蚀电化学模型，揭示电化学腐蚀碳纤维探针针尖形成过程的机理。在碳纤维探针针尖表面引入官能团，赋予其分子识别功能。利用碳纤维探针实现对微观沟槽和粗糙样品表面电学、力学性能的同步检测。本研究将提高AFM在纳米尺度的表征性能，拓展其应用领域，为新型AFM探针的制备提供一定的科学依据。

原子力显微镜（AFM）是一种常见的表征仪器，开发性能优异的新型探针是提高AFM空间分辨率和扩大应用范围的有效途径。本项目采用基于等离子体刻蚀技术的径向剖析法，研究了碳纤维内部径向性质分布规律，筛选出了适合制备成探针的碳纤维M40和T1000。通过电化学腐蚀法成功制备了具有指数曲线轮廓、针尖曲率半径小的碳纤维探针，分析了碳纤维探针针尖形成过程机理，优化了制备工艺条件，获得的最佳制备参数为：碳纤维型号为M40，电解液为4mol/L的氢氧化钠溶液，电解液温度为30℃，电解液液面上方碳纤维的长度为2.5mm，起始腐蚀电压为5V，参考电压为1.6V，制得的探针的针尖曲率半径约为25nm，制备成功率可达50%以上。将制得的碳纤维探针应用于自主研发的AFM系统进行了探针性能测试，研究结果显示，碳纤维探针具有很好的电性能、力学性能、力敏感性和很高的图像分辨率，使用寿命超过500小时。利用制得的碳纤维探针表征了用于渗透汽化脱硫的PU/GYSNs和PEG/MYNS分离膜以及用于渗透汽化分离乙醇的PDMS/GO@silica分离膜的表面微区本征结构，研究了膜表面性质与分离性能之间的构效关系。结果显示，分离膜表面的粗糙度增大，将有效增大膜的表面积，使膜的有效分离面积增大，因而将有效提升膜的渗透通量。另外，分离膜表面的粗糙度增大，膜表面疏水性增强，可以提高膜表面与乙醇之间的亲和力，从而提高膜对乙醇的渗透选择性。本项目制得的碳纤维探针具有实用价值，在扫描探针显微镜领域具有广阔的应用前景，本研究对制备新型AFM探针具有重要的指导意义，对通过测试膜表面微区物理化学性质，设计开发高分离性能的分离膜提供了一定的科学依据，对材料表面科学的发展起到推动作用。