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表面形貌与结构分析：高分辨率原子力显微镜应用实录 作者： 王海涛，李明德 出版社： 科学技术出版社 出版日期： 2023年10月 --- 内容提要 本书是面向材料科学、化学、物理学及生物技术领域研究人员和工程师的一本深度实践指南，专注于高分辨率原子力显微镜（AFM）在表面形貌、微观结构、力学性能及电学特性表征中的前沿应用与操作技巧。全书紧密结合当前科研需求，摒弃了对基础原理的冗长介绍，直接切入实际操作中的难点与高阶技术，旨在帮助读者快速掌握利用AFM获取高质量、高可靠性数据的核心能力。 第一章：AFM成像模式的精细调控与优化 本章深入剖析了AFM的三种主要成像模式——接触模式、动态（轻敲/振动）模式和间歇接触模式——在不同样品条件下的适用性与参数设定。重点讨论了如何通过精细调节扫描频率、设置适当的反馈增益、选择合适的探针（Tip）以及优化扫描速度来有效抑制扫描伪影，如“鬼影效应”（ghosting）和“振动噪声”。 1.1 接触模式的风险规避与最佳实践： 详细阐述了在软物质和生物样品分析中，接触模式下探针与样品间的横向力和垂直力如何影响成像真实性。提供了通过力曲线分析来确定临界扫描力，并据此校准扫描参数的具体流程。 1.2 动态模式的拓扑-形貌分离技术： 深入讲解了如何利用相位成像和高度通道的差异性，有效分离出表面形貌信息和材料的粘弹性、吸附层等信息。特别引入了“三通道同步采集法”在分析复杂涂层结构时的应用案例。 1.3 快速扫描技术的挑战与解决： 针对工业在线检测和动态过程监测的需求，介绍了高频扫描技术（如Pip-control技术）的原理，并探讨了如何在保证分辨率的同时，通过数据滤波算法弥补高频扫描带来的带宽限制问题。 第二章：高精度三维形貌重建与定量分析 本章聚焦于如何从原始的AFM数据中提取出精确的、可量化的表面参数，这是从“看图”到“分析”的关键一步。 2.1 表面粗糙度参数的深度解读： 不仅涵盖了Ra、Rq等基础参数，更侧重于介绍$Rz_{max}$（最大高度差）、核函数（Autocorrelation Function, ACF）和功率谱密度（PSD）在描述表面重复性和各向异性方面的应用。通过实际案例展示，ACF如何帮助区分随机粗糙度与周期性结构。 2.2 倾斜度校正与基线处理： 详细介绍了先进的拟合算法，如多项式拟合、平面移除（Plane Removal）和零点漂移补偿技术，确保高度数据的绝对准确性，尤其是在分析大面积样品或存在明显基底倾斜的薄膜时。 2.3 截面分析的高级技巧： 探讨了如何利用多点/多线截面分析来测量纳米颗粒的高度、宽度和侧壁角度，以及如何利用软件工具进行边缘识别和粒径分布统计，避免人为误差。 第三章：AFM力学性能谱学分析：从粘附到弹性模量成像 AFM作为一种纳米力学探针，其在局部力学性能分析中的应用是本领域的重点。本章提供了从数据采集到图谱解析的完整流程。 3.1 力曲线（Force-Distance Curve）的深度解读： 讲解了如何通过控制加载速率、接触时间以及探针校准（Hooke's Law常数确定），准确提取粘附力、毛刺效应（Jumping/snap-to-contact）和弹性回复数据。 3.2 压入深度校准与欧式模型应用： 详细介绍了Hertz模型、Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) 模型和Johnson-Kendall-Roberts (JKR) 模型在不同样品（硬质、软质、粘附性强）下的选择标准和参数代入方法，用于计算局部杨氏模量。 3.3 纳米压痕与高通量模量成像（PeakForce QNM/Force Mapping）： 重点介绍了现代AFM仪器的峰值保持定量成像技术（如Bruker的PeakForce Tapping或Park Scientific的Force-Volume Mapping）。提供了采集矩阵、数据处理流程，以及如何将数千个力曲线转化为精确的杨氏模量和耗散能分布图。 第四章：先进模式在功能材料中的应用 本章侧重于利用AFM的特殊模式来探测材料的电学、磁学和热学特性，服务于半导体、能源和催化剂研究。 4.1 静电力显微镜（EFM）与开型力显微镜（KPFM）： 详细对比了EFM和KPFM在表面电势测量上的优劣。重点介绍了KPFM的“双次扫描”原理，以及如何通过精确控制激励电压和信号解调来获得高信噪比的表面功函数/电势图，例如在有机太阳能电池界面缺陷分析中的应用。 4.2 导电AFM（C-AFM）的电流-电压（I-V）特性测量： 讨论了C-AFM在二维材料（如石墨烯、MoS2）电学导电性成像中的设置。强调了探针与样品接触电阻的消除技术，以及如何进行局部I-V曲线采集和缺陷电学行为的分析。 4.3 导热与热流成像技术： 介绍了基于热敏探针的AFM热成像技术（如Scanning Thermal Microscopy, SThM），用于分析微电子器件的热耗散路径和聚合物薄膜的局部热导率变化。 第五章：环境控制与原位/动态表征 为实现更接近真实工作条件下的材料分析，环境控制是必不可少的。 5.1 液体环境下的AFM操作： 提供了在水相、缓冲液或有机溶剂中进行AFM测量的探针选择、液体腔体搭建和流体动力学噪声抑制技巧，适用于活细胞成像和电化学过程监测。 5.2 温度控制与加热/冷却台的使用： 阐述了如何使用控温台进行温度梯度扫描，以观察材料的相变（如聚合物的玻璃化转变）和热膨胀系数的变化。 5.3 反应过程的原位监测： 结合电化学池或反应腔体，指导读者如何设计实验序列，实现对化学反应、薄膜生长或腐蚀过程的实时、高时间分辨率的形貌跟踪。 本书特色： 注重操作细节： 包含大量“经验之谈”，如如何清洁探针、如何避免探针受损、数据可视化的高级技巧。 丰富的故障排除指南： 提供了针对常见成像问题的系统化诊断流程表。 实战案例驱动： 所有理论讲解均配有从原始数据到最终报告的完整分析流程示例，涵盖从半导体到生物材料的广泛领域。 目标读者： 具有一定基础物理或化学背景，希望掌握或进阶高分辨率AFM操作和数据解析技术的博士研究生、博士后、高校教师及工业研发工程师。
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