岛津SPM-8100FM高分辨率原子力显微镜

【技术特点】-- SPM-8100FM高分辨率原子力显微镜

SPM-8100FM特点：

　　高分辨率

　　使用调频模式。

　　在大气及液体环境中的噪音减少至传统调幅模式的1/20。

　　即使在大气或液体环境下，也能获得匹敌真空原子力显微镜的分辨率。

　　使测量固液界面的分层结构成为可能。

　　改进操作性

　　高速扫描器拓展了观察区域，缩短了观察时间。

　　双显示器和信号指示功能显著改善了操作的灵活性。

观察生动的纳米世界

使用调频模式的全新型HR-SPM高分辨率原子力显微镜，不仅可以在空气及液体环境中实现更高分辨率，而且初次观察到了固液界面的水化/溶剂化作用的液体分层。

HR-SPM: 高分辨原子力显微镜

HR-SPM特点

使用调频模式
空气和液体中的噪音降低到传统模式的二十分之一
在空气和液体环境中也能达到更高真空原子力显微镜的分辨率

现有的扫描探针显微镜 (scanning probe microscopes)和原子力显微镜(atomic force microscopes) 通常使用调幅模式(amplitude modulation).从原理上, 调频模式(frequency modulation) 可以达到更高的分辨率。

与现有SPM/AFM的区别

液体环境中原子分辨率观察

NaCl饱和溶液中观察固体表面的原子排列。使用调幅模式的传统原子力显微镜，图像完全被噪音遮盖（左图），但在调频模式下，原子排列清晰可见（右图）。调频模式实现了实实在在的原子级分辨率。

空气中Pt催化剂颗粒的观察1)

引用文献：

Ryohei Kokawa, Masahiro Ohta, Akira Sasahara, Hiroshi Onishi, Kelvin Probe Force Microscopy Study of a Pt/TiO2Catalyst Model Placed in an Atmospheric Pressure of N2Environment, Chemistry - An Asian Journal, 7, 1251-1255 (2012)

空气中观察样品实例

空气环境

酞菁铅结晶薄膜的分子排列结构

下图为有机发光二极管显示器和料染敏化太阳能电池中用到的酞菁铅结晶。在大气环境下可以观察到包围分子中央的金属原子的四叶状草结构。

样品: PbPc/MoS2

聚丁二炔晶体表面原子排列缺陷

观察聚丁二炔在空气中新鲜解离表面，大视野中可以看到梯田状结构（左图），沿着与b轴平行的间隔为0.75纳米的丁二炔主链，可以看到间隔为0.5纳米的单个 PTS (对甲苯磺酸盐) 侧链。这是一个清晰可见的原子排列缺陷，该图没有经过FFT处理。

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液体中观察样品实例

液体环境

蛋白质结晶的分子排列 1)

左图是在饱和溶液中观察到的蛋白溶菌酶。可以观察到表面晶胞（右图中的虚线方框）内的蛋白质分子（左图中的圆圈 ）。以往的AFM无法观察到晶胞内部结构，而HR–SPM初次观察到4个蛋白质分子，和右边的模型图一致。

混晶结构

在混合溶液中观察NaCl单晶表面上外延生长的Na2MgCl4晶体。因为可观察到晶体结构，所以可应用于混晶结构的确定。

方解石(calcite)解理面的原子结构 2)

在纯净水中对方解石表面结构的原子级分辨率观察。在左图中可以观察到方解石表面的缺陷。 该页所有数据使用培养皿型液体池（选配件）获得。

引用文献

1、K. Nagashima, M. Abe, S. Morita, N. Oyabu, K. Kobayashi, H. Yamada, R. Murai, H. Adachi, K. Takano, H. Matsumura, S. Murakami, T. Inoue, Y. Mori, M. Ohta, R. Kokawa, Molecular resolution investigation of tetragonal lysozyme(110) face in liquid by FM-AFM, Journal of Vacuum Science and Technology B 28 (2010) C4C11-C4C14

2、Sebastian Rode, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, Hirofumi Yamada, and Angelika Kuhnle, True Atomic-Resolution Imaging of (1014) Calcite in Aqueous Solution by Frequency Modulation Atomic Force Microscopy, Langmuir, 2009, 25 (5), pp 2850–2853

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水化作用/溶剂化结构观察实例

水化/溶剂化结构观察

何为水化作用/溶剂化作用

固液界面的液体会形成层状结构，此现象被称为溶剂化作用。如 果液体整体是水，则被称为水化作用。 这种区别于结构的特殊结构很大程度上左右着固液界面的各种作用及变化，如液相内的溶解、化学反应、电荷转移、润湿、润滑、热传导等。但是，水化作用层/溶剂化作用层非常薄，因此一般的实验手段很难测量。特别是表面面内各向不均一的构造，之前没有测量手段 。

和以往AFM的不同

测量水化作用/溶剂化作用时，由于悬臂的受力变化非常小，只有通过更高灵敏度的FM模式才能获得观测图像，这也是初次观察到固液界面的分层结构。获取的图像不仅可以得到Z-X断面的水化作用/溶剂化作用，还可以进行Z-XY的三维构造解析。使HR-SPM性能从表面观察扩展到固液界面构造的分析。

该页所有数据使用培养皿型液体池（选配件）获得。

水化作用/溶剂化作用的测量方法

1．在液体环境下操作HR-SPM，让悬臂按照设定值（△fmax）高精度地趋近样品表面。
2．将悬臂前端针尖的受力情况通过力曲线进行测量表征。
3．在相当接近固液界面处，可测得探针受到的特征性的力变化（△f）
4．水化作用/溶剂化作用导致的力的变动提供了液体层状结构相关的信息。
5．X轴方向的连续测量（Z-X测量）可实现水化作用/溶剂化作用结构的断面观察。
6．进一步，沿着Y方向反复Z-X测量可以实现三维结构分析。

分析软件

三维数据制图的专用分析软件。强有力地支持了水化作用/溶剂化作用结构的数据解析。

● 制图数据的三维显示
● 从制图数据中抽取・显示二维图像数据
● 在二维图像数据上显示・分析指定的一维数据

水化作用/溶剂化作用分层结构的观察实例

石墨表面的1-癸醇的界面结构

左图为石墨表面的1-癸醇分子膜。两个癸醇分子的谅解结构以及分子膜结构可被清晰地分辨。癸醇与石墨交界面的吸附分子层横截面结构如右图。可以发现癸醇分子程层状分布，而且分层在面内方向呈不均匀分布。

对硝基苯胺饱和水溶液的结晶表面 6)

Z-X测量（左图）中凸起部分为苯环，凹陷部分为亲水性的官能团所在的位置。从不同位置的力曲线（Z△f曲线）可以看到在具有亲水基的凹陷部分由于水分子的存在而显示出强烈的水化作用。
此数据表明，如下图模型，水分子的氢和极性基团成键，从而形成稳定的结构。

该页所有数据使用培养皿型液体池（选配件）获得。

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调频模式原子力显微镜原理

FM模式原理

在动态模式下，测量悬臂的振动频率，从而测得悬臂和样品间的相互作用力。具体来说，为了使悬臂的频率偏移(△f)保持一定，让悬臂在非接触状态下运动。与以往相比，对力的检测灵敏度提高了20倍以上，因此图像的分辨率也大大提升。

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仪器外观

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