實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果本文詳細(xì)介紹巨磁阻La067Sr033MnO3粉末用純凈水作黏結(jié)劑的實(shí)驗(yàn)過程與方法。其他兩種粉末樣品和黏結(jié)劑的實(shí)驗(yàn)與此類似。
實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵步驟是把La067Sr033MnO3粉末樣品放進(jìn)探針顯微鏡掃描之前的樣品預(yù)處理工藝。預(yù)處理分為以下幾步：（1）自然狀態(tài)下的La067Sr033MnO3粉末樣品處于分散狀態(tài)，用潔凈鑷子夾出適量（約05g1g）粉末置于NTMDT公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)SU001多晶寶石片面上，寶石片預(yù)先用無水乙醇清洗干凈即可，不需其他處理過程（a）。（2）用滴管往寶石片上的粉末樣品滴純凈水，數(shù)量以剛能充分濕潤粉末樣品為宜。用潔凈鑷輕輕撥動(dòng)粉末樣品，使樣品充分濕潤并在寶石片上均勻鋪開（1b）。（3）把寶石片放在通風(fēng)干燥的地方，讓粉末樣品上的純凈水自然蒸發(fā)。蒸發(fā)時(shí)間視周圍氣溫、干燥度和樣品上的純凈水?dāng)?shù)量而定。一般15min以后，可觀察到樣品凹凸不平的面上較高的部位處無水分的明顯反光，只有樣品最低洼處存在水分光澤，此時(shí)示樣品可以放到探針顯微鏡上進(jìn)行掃描（c）。如果樣品面完全沒有水分的反光，如1d，則示樣品上的水分已基本蒸發(fā)完，此時(shí)再把樣品放進(jìn)探針顯微鏡上掃描，結(jié)果肯定失敗。樣品放進(jìn)探針顯微鏡以后，用輕敲模式掃描。
在輕敲模式掃描的過程中，懸梁臂在樣品的近面區(qū)振動(dòng)，針尖在振動(dòng)的大部分時(shí)間內(nèi)不接觸樣品，僅懸梁臂在振動(dòng)的最低點(diǎn)處針尖會敲擊樣品面，從而可以明顯減小接觸模式中針尖對樣品顆粒的橫向力，顆粒不易移動(dòng)。掃描過程中，探針和掃描參數(shù)的設(shè)置依實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，與一般用輕敲模式掃描薄膜樣品或塊狀固體樣品的情況相似。唯一不同之處在于必須注意掃描總時(shí)間的控制。樣品中的水分在掃描過程中不斷蒸發(fā)，由于探針顯微鏡防護(hù)罩的阻隔，水分蒸發(fā)速度比在大氣中小了很多，但適宜掃描的時(shí)間只有20min左右，必須在這段時(shí)間之內(nèi)結(jié)束掃描。在初期，必須先把針尖自動(dòng)逼近樣品面，有時(shí)候針尖剛與樣品面接觸，盡管把反饋增益因子設(shè)置到很小，反饋信號也發(fā)生振蕩，這示樣品面上的水分仍然過多或針尖剛好落到了樣品的最低洼處，必須退出針尖過一段時(shí)間嘗試第二次，直到可以穩(wěn)定下針為止。在掃描后期，發(fā)現(xiàn)反饋信號發(fā)生振蕩，掃描像不清晰，甚至不能成像的情況，即示樣品水分過度蒸發(fā)，粉末顆粒之間的粘合力已經(jīng)不足以讓針尖在其上穩(wěn)定掃描，應(yīng)該停止掃描。
討論本文用純做黏結(jié)劑對粉末樣品進(jìn)行預(yù)處理使之適合于原子力顯微鏡掃描的過程，與粉體工業(yè)中的粒化過程<11>相似，實(shí)際上都是通過在粉末樣品中添加黏結(jié)劑（本文是純凈水）使樣品的各顆粒之間黏結(jié)起來，起到一種固定的作用。
按照粒化理論，水分在粉末樣品中主要以吸附水、薄膜水、毛細(xì)管水和重力水四種形態(tài)出現(xiàn)并起作用。（1）其中，吸附水是由于水分子具有偶極性，能中和顆粒面所帶的電荷而在顆粒面形成水層。吸附水層厚度并不恒定，與顆粒成分、大小、形狀和外界條件等有關(guān)。吸附水具有非常大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度，不能在顆粒間自由移動(dòng)。當(dāng)粉末孔隙中相對濕度為100%時(shí)的吸附水含量，稱為最大吸附水含量。（2）薄膜水是由于顆粒面吸附水后還有剩余的未被平衡掉的范德華分子力形成的。薄膜水與顆粒面的結(jié)合力要比吸附水弱得多，可以在相鄰的顆粒面上移動(dòng)，直到兩顆粒面的水層厚度一致為止，而與重力無關(guān)。顆粒間距離越小，薄膜水的粘性就越大，顆粒就越不容易發(fā)生相對移動(dòng)。吸附水和薄膜水合起來即組成顆粒的分子結(jié)合水。（3）當(dāng)粉末繼續(xù)被濕潤到超過最大分子結(jié)合水分時(shí)，就形成了毛細(xì)管水。毛細(xì)管水是顆粒的電分子引力范圍以外的水，它能夠?qū)㈩w粒拉緊靠攏是由于毛細(xì)管內(nèi)呈負(fù)壓的原因。（4）當(dāng)粉末完全被水浸透時(shí)，還可能存在重力水。重力水是在重力和壓力差的作用下發(fā)生移動(dòng)的自由水，具有總是向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，對顆粒具有浮力。前面三種形態(tài)的水分均使顆粒之間粘合緊密，對顆粒有固定作用，而重力水卻使得顆粒之間粘合力變小，使粉末松散化。
由上述?；碚摽芍诒疚囊约儍羲鲳そY(jié)劑的實(shí)驗(yàn)中，隨著蒸發(fā)時(shí)間加長，粉末樣品中水的形態(tài)應(yīng)該有如下幾個(gè)發(fā)展過程：（1）在粉末樣品剛被完全浸濕初期（b），由于大量重力水的存在，顆粒之間粘合力不強(qiáng)，振動(dòng)中的針尖與顆粒之間的相互作用力可以移動(dòng)顆粒，使掃描不穩(wěn)定，所以不適合掃描。這同樣解釋了簡單地把顆粒樣品放在液體之中掃描會使得實(shí)驗(yàn)失敗的原因。（2）隨著蒸發(fā)時(shí)間加長，原先粉末樣品中的重力水逐漸被蒸發(fā)掉，當(dāng)粉末顆粒間只存在吸附水、薄膜水和毛細(xì)管水時(shí)（見1c），顆粒之間的結(jié)合力最大。在掃描過程中，樣品面顆粒暴露于大氣，在與針尖發(fā)生相互作用從而把顆粒形貌反映出來的顆粒面上，只存在吸附水層與薄膜水層。吸附水必然存在，因?yàn)榉勰┛紫堕g存在毛細(xì)管水，其濕度肯定達(dá)到最大吸附水所需的100%相對濕度；而薄膜水由于可以自由地在顆粒面移動(dòng)，所以也必然存在；至于毛細(xì)管水層，則只存在于不能與針尖發(fā)生相互作用的顆粒另一側(cè)，對針尖與樣品的相互作用應(yīng)該沒有影響。而有研究發(fā)現(xiàn)，固體面上濕度超過95%以后，親水性面水膜與原子力針尖之間的粘合力已經(jīng)小到與無水時(shí)幾乎一樣大小；斥水性面與針尖的粘合力則基本不隨濕度變化<13>。考慮到本實(shí)驗(yàn)中分子結(jié)合水層中和了顆粒面上的大量電荷，顆粒與針尖之間的相互作用力應(yīng)該比無水時(shí)更小。此時(shí)，針尖與顆粒樣品之間的相互作用力小于顆粒樣品之間的粘合力，顆粒在掃描過程中可以保持穩(wěn)定，樣品適合放置于原子力顯微鏡中進(jìn)行掃描。（3）隨著蒸發(fā)時(shí)間繼續(xù)加長，先是顆粒之間的毛細(xì)管水被蒸發(fā)完，然后是薄膜水被蒸發(fā)，粉末樣品重新恢復(fù)到?jīng)]濕潤時(shí)的松散狀態(tài)，掃描過程中針尖使顆粒發(fā)生相對移動(dòng)，這時(shí)掃描必須停止。
結(jié)論在分析針尖與粉末樣品的相互作用中，我們發(fā)現(xiàn)本文的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)際上創(chuàng)造了一種針尖在大氣中振動(dòng)，而樣品處于液體中的復(fù)合掃描環(huán)境。在這種不同于以前單純真空、大氣、液體掃描環(huán)境中，針尖與樣品具體如何相互作用、液體對樣品的相位襯度像有何影響等問題都值得進(jìn)一步研究。在本文的研究中，發(fā)現(xiàn)并證明了這種復(fù)合掃描環(huán)境具有簡單掃描環(huán)境所不具有的一系列優(yōu)點(diǎn)。
