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光电转换材料范文光电转换材料（photovoltaic conversion materials）是指能够将光能转化为电能的材料。
这些材料通过光照射产生的光生载流子（电子和空穴）的分离和迁移，最终产生电流。
光电转换材料在太阳能电池、光敏器件和光电探测器中起着核心作用。
目前，常见的光电转换材料主要有无机半导体材料、有机半导体材料和杂化材料。
无机半导体材料包括硅、镓砷化镓、硫化铜铟镓、碲化物等。
有机半导体材料包括聚合物、全合成有机小分子和碳基材料等。
杂化材料则是无机和有机半导体的复合体系。
无机半导体材料是光电转换领域中应用最广泛的材料之一、硅材料由于具有丰富的资源、良好的稳定性和成熟的制备工艺，被广泛应用于太阳能电池领域。
镓砷化镓材料具有较高的太阳能转换效率和稳定性，被广泛用于高效太阳能电池的制备。
硫化铜铟镓材料是一种具有优异光吸收性能和可调制性能的多元化合物，适用于高效薄膜太阳能电池的制备。
碲化物材料具有较高的光吸收系数和较窄的带隙，是一种潜在的高效太阳能电池材料。
有机半导体材料因其可溶性、可加工性和低成本等优点，成为光电转换领域的研究热点之一、聚合物材料以其较高的载流子迁移率和良好的可加工性，被广泛应用于高效有机太阳能电池的研究。
全合成有机小分子材料具有良好的晶体结构和光电性能，是有机太阳能电池的又一重要材料。
杂化材料是无机和有机半导体的优势互补体系。
将无机半导体材料和有机半导体材料复合，可以充分利用各自的优势，提高光电转换效率。
例如，钙钛矿材料是一种典型的无机-有机杂化材料，具有较高的光吸收特性和较长的载流子寿命，被广泛应用于高效太阳能电池的研究。
光电转换材料的研究一直以来都是科学家们的热衷领域。
通过不断地发展和改进，已经取得了许多重要的突破，使光电转换效果得到极大的提高。
然而，光电转换材料仍面临着诸多挑战，例如光吸收效率不高、载流子迁移率不高、稳定性差等问题。
未来，科学家们需要进一步深入研究，开发出更加高效、稳定和可持续的光电转换材料，以推动太阳能电池和其他光电转换器件的进一步发展和应用。
Cd on luminescent proper ties of CaT iO3P r3+[刊,中]/沈雷军(包头稀土研究院.内蒙古,包头(014010)),赵增祺//发光学报.―2007,28(1).―7478采用高温固相反应合成CaT iO3P r3+、Zn2T iO4、Ca0.7 Z n0.3x Cd x TiO3Pr3+(x=0.01,0.03,0.05,0.07,0.09,0.1)红色系列粉末状发光材料。
经X射线衍射检测其结构,CaTiO3结构为正交晶系,其结果与JCPDS标准卡(42-423)相符。
Zn2T iO4结构属立方晶系,结果与JCPDS标准卡(25-1164)一致。
Ca0.7Zn0.3-x Cd x TiO3Pr3+(x=0.01,0.03, 0.05,0.07,0.09,0.1)由两种物相组成,一种为CaTiO3,另一种为Zn2T iO4。
检测了材料的激发光谱和发射光谱,给出了分析结果。
图7表1参10(杨妹清)TN104.32007043842 BaSi2O5P b荧光粉表面性能的改善=Sur face modif ica t ion of BaSi2O5:P b Phosphor[刊,中]/杨庆华(南京工业大学材料科学与工程学院.江苏,南京(210009)),李李泉//发光学报.―2007,28(1).―8387针对BaSi2O5Pb荧光粉光衰较大的缺点,提出了基于液相的表面处理方法,且在较高值下进行,通过将荧光粉加入Ba2+离子溶液,使得溶液中Ba2+离子在粉表面富集,再经过滤、灼烧等后处理,得到处理后的BSP粉,对其进行发光性能测试,结果表明,处理后的荧光粉发光性能有明显改善,光通维持率明显提高。
图2表3参11(杨妹清)TN104.32007043843白光LED用红色荧光粉Gd2Mo3O9Eu3+的制备及表征=Preparat ion and proper ties of r ed emitting phosphor Gd2Mo3O9Eu3+for white LEDs[刊,中]/张国有(内蒙古民族大学物理系.内蒙古,通辽(028043)),赵晓霞//发光学报.―2007,28(1).―5761利用Ns2CO3作为助熔剂,采用高温固相反应方法制备了三价铕离子激活的Gd2Mo3O9红色荧光粉。
光电材料的性能及应用研究光电材料是一种能够将光能转化为电能或者将电能转化为光能的材料。
它们具有非常重要的应用价值，被广泛用于电子、光学、能源等领域。
在本文中，我们将介绍光电材料的性能以及其在应用研究中的重要性。
一、光电材料的性能光电材料的性能主要包括以下几个方面：1. 光电转换效率光电转换效率指材料将光能转化为电能或者将电能转化为光能的效率。
这个效率越高，材料的使用价值就越大。
目前，一些光电转换材料如硅、锗等，其光电转换效率已经达到了较高的水平。
而一些新型的光电材料如钙钛矿材料等，因其高的光电转换效率，正在逐渐成为新的研究热点。
2. 带隙能量带隙能量指固体材料中导带和价带之间的能量差。
它对材料的光电性质具有重要影响。
通常情况下，带隙能量越大，材料对光的吸收性就越弱。
3. 导电性光电材料的导电性对其电子传输和光电性质具有重要作用。
在光电器件中，通常都要求材料具有较高的导电性，以便在电荷传输过程中减少电阻。
二、光电材料的应用研究由于光电材料具有许多优秀的性能，因此在现代科学技术中具有广泛的应用。
下面，我们将分别介绍光电材料在电子、光学和能源领域的应用研究。
1. 电子领域光电材料的电子属性被广泛应用于电子元件制造中。
比如硅、锗等材料，它们的电子特性使它们能够用于半导体器件、场效应晶体管等电子元件的制造。
而一些新型的光电材料如有机半导体材料、钙钛矿材料等，则被广泛用于新型柔性电子、可穿戴设备等高科技领域。
2. 光学领域光电材料通过光的吸收、发射和输运等现象，在光学领域中也具有广泛的应用。
例如，一些发光材料如氧化铟锡(ITO)等，可以用于液晶显示器、LED等电子产品的制造。
而一些非线性光学材料如锂离子宝石、玻璃等，则可以用于制造激光器、光纤通信等高科技产品。
3. 能源领域光电材料在能源领域的应用也非常广泛。
比如，在太阳能电池制造领域，硅、钙钛矿等材料都可以用于制造太阳能电池板。
此外，某些高分子材料也被广泛用于太阳能电池板的制造，这些高分子材料具有较好的光电性能和光稳定性能。
纳米材料综述功能材料与应用论文（已处理）纳米材料综述摘要概述了纳米材料的基本概念、分类方法及结构特征, 重点介绍了纳米材料的光谱、催化、光电化学及反应性等化学特性及应用.1、纳米材料的基本概念纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级 0.11 nm, 100nm 的超微粒子纳米微粒及由其聚集而构成的纳米固体材料。
纳米固体材料分为纳米晶体材料、纳米非晶态材料及纳米准晶态材料。
其中纳米晶体材料按其结构形态又可分为四类:1 零维纳米晶体, 即纳米尺寸超微粒子;2 一维纳米晶体, 即在一维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如一维纤维, 一维碳纳米管;3 二维纳米晶体, 即在二维方向上晶粒尺寸为纳米量级, 如纳米薄膜、涂层;4 三维纳米晶体, 指晶粒在三维方向上均为纳米尺度, 如纳米体相材料, 纳米陶瓷材料。
另外, 还有纳米复合材料, 以复合方式不同分为0-0、0-2、0-3 型复合, 即零维纳米粒子分别与纳米粒子、二维及三维材料复合而成的固体材料。
纳米材料科学是现代化学、物理学、材料学、生物学等多门学科相互交叉、相互渗透的新兴学科, 其研究内容主要包括两个方面:1 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特性,通过和常规材料对比, 找出纳米材料的特殊规律, 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论, 发展完善纳米材料科学体系;2 探索新的制备方法, 发展新型的纳米材料, 研究制备工艺与材料结构、性能之间的关系规律, 并拓宽其应用领域。
2、纳米材料的性质2.1、纳米微粒的结构和特性纳米粒子处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是由数目很少的原子或分子组成的聚集体。
由于纳米粒子具有壳层结构。
粒子的表面原子占很大比例，并且是无序的类气状结构, 而在粒子内部则存在有序-无序结构，这与体相样品的完全长程有序结构不同。
纳米粒子的结构特征使其产生了小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，并由此派生出传统固体材料所不具备的许多特殊性质。
姓名：XXX 学号：XXX 导师：XXX电致变色自人类创世以来，颜色就伴随我们左右，点缀着这个世界，让我们的生活五彩斑斓。
但是随着科技的发展和物质生活的丰富，人们对颜色的要求越来越高。
尤其是近些年来节能环保成为了社会发展的主题之一，使得变色材料成为了科学家和企业家们研究和关注的主要话题。
所谓的变色材料是指受到外在环境的刺激而自身颜色发生变化的一类物质[1]，虽然各类变色材料各有其应用潜力，但是电致变色材料因其良好的可逆性、材料的丰富性、用途的广泛性格外引人注目，成为近几十年的研究的热点[2]。
1.电致变色的简介电致变色材料被认为是最有应用前景的智能材料之一，在过去几十年里被广泛研究。
电致变色现象(Electrochromism，EC)是指材料在不同的外在施加电压或电流下发生电荷的注入和抽出(掺杂/脱掺杂过程)而导致其光学性质(如吸收率、透射率、反射率等)发生稳定的变化[3]。
宏观上表现为颜色的可逆改变。
2.电致变色机理关于材料的电致变色现象产生的原因，人们提出了多种解释，认为或是由于电化学反应生成有色化合物，或是形成色心。
如阴极电致变色材料，当电致变色薄膜接通电源负极时，离子在外加电场的作用下进入电致变色薄膜，生成有色物质，即着色；反之，当电致变色薄膜接通电源正极时，可逆反应使电致变色材料上的离子被抽出，即褪色。
变色原理主要取决于材料的化学组成、能带结构和氧化还原特性等。
目前对于电致变色材料的变色机理存在着多种模型和假设，下面为几种被普遍接受的模型。
1)Deb模型又称色心模型[4]，1973年，S.K. Deb通过对Au/a-WO3/Au结构的电致变色器件的研究，指出无定形WO3具有类似于金属卤化物的离子晶体结构，提出了电致变色的色心模型，即Deb模型。
Deb认为由于非晶态WO3的晶格结构具有高度的不完整性，存在氧空位的正电性结构缺陷，因此从阴极注入的电子会被氧空位缺陷俘获，从而形成色心，被捕获的电子不稳定，很容易吸收可见光光子而被激发到导带，使WO3薄膜呈现出颜色。
摘要摘要在科学技术高速发展的现代社会中,人类已经入瞬息万变的信息时代,人们在日常生活,生产过程中,主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输,来实现制动控制,自动调节,目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。
由于微电子技术,光电半导体技术,光导纤维技术以及光栅技术的发展,使得光电传感器的应用与日俱增。
这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点,在自动检测技术中得到了广泛应用,它一种是以光电效应为理论基础,由光电材料构成的器件。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
关键字:光电元件传感器分类传感器应用摘要ABSTRACTThe photoelectric transducer adopts the photoelectric component as the transducer measuring the component. It changes the change measured into a change of the optical signal at first, then further change the optical signal into an electric signal through the photoelectric component. The photoelectric transducer is generally made up of light source, optical thorough fare and photoelectric component three parts. The photoelectric detection method has precision high, reacts fast, advantage of exposed to ing etc.s, and can examine the parameter more,the transducer is of simple structure, the form is flexible, so, it is very extensive that the photoelectricity type transducer is employed in measuring and controlling. The photoelectric transducer realizes the key component that the photoelectricity changes in various photoelectric detection systems, it change into electric device of signal optical signal (infrared can seeing and purple other ray radiation). The photoelectricity type transducer is regarded photoelectric device as and changed the transducer of the component. It was not electric consumption that it caused the light quantity to change directly that it can be used for measuring, only strong, illuminance, radiation examine warmly, the gas composition is analyzed etc.; Other ones that can also be used and measured and can change into a light quantity and change are not the electric consumption such as part diameter, surface roughness, meets an emergency, the displacement, vibration, pace, acceleration, and the form of object, discernment of working state,etc.. The photoelectricity type transducer is not exposed to, respond the fast, reliable characteristic of performance, so won extensive application in the industrial automation device and machine philtrum. In recent years, new Devices photoelectric constantly emerge, especially CCD picture the births of transducer, transducers photoelectric the further to last chapter innovated to turn on.Keywords:Photoelectric component Transducer classification Application of transducer目录第一章绪论 (1)1.1 传感器发展史 (1)1.2光电传感概述 (2)第二章光电传感器基本原理 (3)2.1 光电效应 (3)2.2 光电元件及特性 (3)2.3 光电传感器 (6)第三章 CCD传感器 (11)3.1 光固态图象传感器 (11)3.1.1 CCD的结构和基本原理 (11)3.1.2 线型CCD图像传感器 (12)3.1.3 面型CCD图像传感器 (13)3.2 C CD图像传感器应用 (15)3.2.1 工件尺寸检测 (15)3.2.2 CCD传感器在公共交通上的应用 (16) 第四章光纤传感器 (17)4.1 光纤传感器的原理和组成 (17)4.2 光纤传感器的类型及特点 (17)4.3 光纤传感器的应用领域 (18)4.4 光纤传感器(FOS)应用原理 (20) 4.5 光纤传感器的实际应用 (21) 4.5.1 光纤液位传感器 (22)4.5.2 电力工业中的应用 (22)第五章其它光电传感器 (25)5.1 高速光电二极管 (25)5.1.1 PIN结光电二极管 (25)5.1.2 雪崩光电二极管(APD) (26) 5.2 色敏光电传感器 (26)5.3 光位置传感器 (27)第六章总结与展望 (29)6.1 总结 (29)6.2 展望 (30)致谢 (31)参考文献 (33)第一章绪论 1第一章绪论1.1 传感器发展史传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器,其测量技术、方法和特点的发展历程见表1。
以ZnS(荧光纯)与MnCl2(分析纯)为原料通过固相反应法,高温烧结制成ZnS Mu荧光粉。
采用化学共沉淀法在ZnS Mn荧光粉表面包覆上一层透明的SnO2Sb 薄膜来增加材料的导电性。
用数字万用表和自制的测量盒测量了粉体的电阻,试验并讨论了包覆层中不同的Sb/ Sn摩尔比,包覆量(Sn,Zn),热处理时间以及热处理温度对粉体电阻率的影响。
图5参11(于晓光)TN104.32007010818 Eu2+激活的Ca3SiO5绿色荧光粉的制备和发光特性研究= Pr epar ation and luminescence char acter istics of Eu2+acti vated Ca3SiO5gr een emit ting phosphor[刊,中]/杨志平(河北大学物理科学与技术学院.河北,保定(071002)),刘玉峰//物理学报.2006,55(9).49464950研究了Eu2+激活的绿色发光材料Ca3SiO5的制备条件和发光性质。
Eu2+中心形成主峰值为501nm和次峰值为570nm的特征宽带,两峰值叠加形成发射峰值为502 nm的绿色发射光谱带。
利用这些光谱结果和Van Uitert 经验公式,确认Ca3SiO5Eu2+中存在两种性质有差异的Eu2+发光中心,它们分别占据基质中八配位的Ca2+(!)格位和四配位的Ca3+()格位,其激发光谱分布在250~ 450nm的波长范围,峰值位于375nm处,可以被InGaN 管芯产生的350~410nm辐射有效激发。
图5表1参14 (严寒)TN104.32007010819 Pechini溶胶凝胶法制备电子墨水用TiO2白色显色颗粒= TiO2par ticles of electronic ink pr epar ed by Pechini sol gel met hod[刊,中]/伍媛婷(陕西科技大学材料科学与工程学院.陕西,咸阳(712081)),王秀峰#//液晶与显示. 2006,21(4).363367采用Pechini溶胶凝胶法制备出了适于电子墨水用的实心球形TiO2白色显色颗粒,颗粒粒度约为300nm。
光电检测技术的特点、应用现状及发展前景【摘要】光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，是利用光电传感器实现各类检测，即将被测量转换成光通量，再将光通量转换成电量。
随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理技术的提高，它以测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高及自动化程度高等突出特点发展十分迅速，应用现状非常好，并且有着很好的发展前景。
【关键词】光电检测，光电传感器，特点，应用现状，发展前景引言：随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。
光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。
它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。
本文从光电检测技术本身特点出发，简述它在工业、资源、环境测温等领域的应用现状及其发展前景。
1，光电检测技术1.1光电检测技术的原理光电检测系统的工作原理图如下图所示：光电检测系统原理图1.2光电检测技术的特点光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的检测，具有如下特点：①高精度。
光电检测的精度是各种检测技术中精度最高的一种，如用激光干涉法检测长度的精度可达0.05um/m;光栅莫尔条纹法测角可达0.04"；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨率可达1m。
②高速度。
光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学的方法获取和传递信息是最快的。
③远距离、大量程。
光是最便于远距离传播的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。
④非接触检测。
光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种检测方法中效率最高的一种。
光电材料与器件的研究及应用光电材料是指在光、电子等方面具有特殊性质和应用价值的材料，它广泛应用于光电器件、光电传感器、光通信、光电显示等领域。
目前，光电材料与器件的研究和应用已成为光电学研究和制造业的重要分支，对于推动科技进步和经济发展具有重要意义。
一、光电材料的分类按用途分，光电材料主要分为光电探测材料、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料等等。
按化学性质分，光电材料主要分为有机光电材料和无机光电材料。
其中，有机光电材料不仅有优良的电学性质，还兼具一些独特的光学性质，比如荧光性、发光性、波导性、非线性光学等，可以广泛应用于光电器件的制造和光电显示领域。
无机光电材料具有较高的光电转换效率和光学性能稳定性，可用于制作高效率的太阳能电池、传感器等。
二、光电器件的分类按功能分，光电器件主要包括光电探测器、光电变换器、光电转换器、光电传感器和光电显示器等。
其中，光电探测器主要用于检测或测量光信号；光电变换器是将信号从光学形式转变为电信号或从电信号转变为光学形式的装置；光电传感器则是利用光电效应对光信号进行测量或检测；而光电显示器则是利用光电材料和器件，将电信号转换为可见光信号的装置。
三、光电材料与器件的研究和应用现状随着科学技术和工业的发展，光电材料和器件的研究和应用也得到了较大的发展。
在光电探测、光电转换、太阳能电池、光通信等领域，光电材料和器件已经得到了广泛的应用和深入的研究。
(1)光电探测器光电探测器是测量光信号的重要器件，其应用范围涵盖了科学、医学、通信、军事、环保等广泛领域。
硅基探测器是目前最成熟和应用最广泛的光电探测器，已成为通信领域中光纤通信系统、传感器和光学计量领域等方面的重要设备。
此外，高性能的光电探测器在天文观测、科学实验等方面也得到了广泛的应用。
(2)光电变换器光电转换器通常包括太阳能电池、光电传感器、液晶显示器等。
太阳能电池是利用半导体的光电效应将太阳能转化为电能的器件，已成为清洁能源的重要来源。
目录目录 (2)原子力显微镜的基本原理和应用实例 (3)一、基于STM概念上的AFM的发展概述 (3)二、AFM的工作原理和工作模式 (3)(1) AFM的工作原理 (3)(2) AFM的工作模式 (4)(3) AFM中针尖与样品之间的作用力 (5)三、AFM在材料分析领域的应用 (6)(1) 高分子结晶形态观察 (6)(2) 非晶态单链高分子结构观察 (7)四、小结 (8)参考文献 (9)附录： (10)Imaging of Dynamic Viscoelastic Properties of a Phase-Separated Polymer Surface by Forced Oscillation Atomic Force Microscopy (10)原子力显微镜及其应用 (13)原子力显微镜在高分子领域的应用 (18)原子力显微镜的基本原理和应用实例14119X 某人摘要：本文简要介绍了原子力显微镜的发展,阐述了原子力显微镜的工作原理、工作模式及工作中针尖与样品之间的作用力，并对其在高分子结晶形态观察和非晶态单链高分子结构观察这两个领域的应用作了综述。
关键字：原子力显微镜，针尖，高分子结晶，非单链高分子一、基于STM概念上的AFM的发展概述在当今的科学技术中,如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体,是一个重要的研究方向.1933年德国Ruska和Knoll研制了第一台电子显微镜.继后,许多用于表面结构分析的现代仪器问世.如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)、俄歇电子能谱仪(AES)、光电子能谱(ESCA)等,但是多数技术都无法真正地直接观测物体的微观世界.1982年, Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)[1],使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质[2]. STM的工作原理是基于量子理论中的隧道效应.将原子线度的极细探针和被研究的样品的表面作为两个电极,当样品的表面与探针针尖的距离非常近时(一般小于1nm),在外加电场作用下,电子会穿过两个电子之间的势垒流向另一电极,从而产生隧道效应.STM的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的,因此STM要求样品表面能够导电,从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构.对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜,但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证,且导电薄膜掩盖了物质表面的细节.为了克服STM的不足之处, Binnig, Quate和Gerber决定用微悬臂作为力信号的传播媒介，把微悬臂放在样品和STM的针尖之间,于1986年推出了原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)[3] .AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息.因此,AFM除导电样品外,还能够观测到非导电样品的表面结构,且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域将更为广阔. 它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌,可以补充STM对样品观测得到的信息,且分辨率亦可达原子级水平[4].正如Binnig在研制出AFM之初时所指出的那样:”该仪器能测出小到单个原子间的相互作用力,若在低温条件下,甚至能检测10-18 N的微小作用力”[5].1988年,国外开始对AFM进行改进,研制出了激光检测原子力显微镜(Laser-AFM)[6-8].我国中国科学院化学所白春礼等人在1988年初成功地研制了国内第一台集计算机控制、数据分析和图像处理系统于一体的扫描隧道显微镜(STM).在同年底又研制出我国第一台原子力显微镜(AFM),其性能一下子就达到原子级分辨率.后来又在已有的STM和AFM的基础上[9,10],成功地研制出国内首台全自动Laser-AFM[11],其横向分辨率为0.13nm.以STM和AFM为基础,衍生出了一系列的扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM),有激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、扫描电化学显微镜(SECM)、近光光学显微镜(SNOM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等.扫描探针显微镜(SPM)标志着对物质表面在纳米级上成像和分析的一个新技术领域的诞生,必将为纳米技术的发展注入新的活力.二、AFM的工作原理和工作模式(1)AFM的工作原理AFM的工作原理结构示意图见图1.图1 AFM工作原理在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针代替STM中的简单的金属极细探针.当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力),引起微悬臂偏转.扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动,通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法)对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像.AFM的核心部件是力的传感器件,包括微悬臂(Cantilever)和固定于其一端的针尖.根据物理学原理,施加到Cantilever末端力的表达式为[12]F=KΔZ式中, ΔZ表示针尖相对于试样间的距离,K为Cantilever的弹性系数.力的变化均可以通过Cantilever被检测.根据力的检测方法,AFM可以分成两类:一类是检测探针的位移;另一类是检测探针的角度变化[3,7].由于后者在Z方向上的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状,因此受到样品的重量及形状大小的限制比前者小.微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心.为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件:1、较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; 2、较高的力学共振频率;3、高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲;4、微悬臂长度尽可能短;5、微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极;6、针尖尽可能尖锐.AFM仪器的发展,也可以说是微悬臂和针尖不断改进的过程.一般AFM采用微机机械加工技术制作的硅、氧化硅及氮化硅(Si3N4)微悬臂.但近年来,日、美等国相继展开了把压电微悬臂代替普通微悬臂用于AFM的研究,取得了很好的效果.我国在这方面的工作也得到了重视.(2)AFM的工作模式AFM有三种不同的工作模式:接触模式(contact mode)、非接触模式(noncontact mode)和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode).1、接触模式接触模式包括恒力模式(constant-force mode)和恒高模式(constant-height mode).在恒力模式中,通过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿x、y方向扫描时,记录Z方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像.这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离,这样样品的高度值较准确,适用于物质的表面分析.在恒高模式中,保持样品与针尖的相对高度不变,直接测量出微悬臂的偏转情况,即扫描器在z方向上的移动情况来获得图像.这种模式对样品高度的变化较为敏感,可实现样品的快速扫描,适用于分子、原子的图像的观察.接触模式的特点是探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动.针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力,约为10-8~10-11N.接触模式通常就是靠这种排斥力来获得稳定、高分辨样品表面形貌图像.但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力,可能使得针尖受到损害,样品产生变形,故对不易变形的低弹性样品存在缺点.2、非接触模式非接触模式是探针针尖始终不与样品表面接触,在样品表面上方5~20nm距离内扫描.针尖与样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率或振幅恒定来控制的.在这种模式中,样品与针尖之间的相互作用力是吸引力(((范德华力.由于吸引力小于排斥力,故灵敏度比接触模式高,但分辨率比接触模式低.非接触模式不适用于在液体中成像.3、轻敲模式在轻敲模式中,通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和0.01~1nm的振幅在Z方向上共振,而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变.同时反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位,记录样品的上下移动情况, 即在Z方向上扫描器的移动情况来获得图像.由于微悬臂的高频振动,使得针尖与样品之间频繁接触的时间相当短,针尖与样品可以接触,也可以不接触,且有足够的振幅来克服样品与针尖之间的粘附力.因此适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏.这种模式在高分子聚合物的结构研究和生物大分子的结构研究中应用广泛.(3)AFM中针尖与样品之间的作用力AFM检测的是微悬臂的偏移量,而此偏移量取决于样品与探针之间的相互作用力.其相互作用力主要是针尖最后一个原子和样品表面附近最后一个原子之间的作用力.当探针与样品之间的距离d较大(大于5nm)时,它们之间的相互作用力表现为范德华力(V an der Waals forces).可假设针尖是球状的,样品表面是平面的,则范德华力随1/d2变化.如果探针与样品表面相接触或它们之间的间距d小于0.3nm,则探针与样品之间的力表现为排斥力(Pauli exclusion forces).这种排斥力与d13成反比变化,比范德华力随d的变化大得多.探针与样品之间的相互作用力约为10-6~10-9N,在如此小的力作用下,探针可以探测原子,而不损坏样品表面的结构细节.样品与探针的作用力还有其他形式,如当样品与探针在液体介质中相接触时,往往在它们的表面有电荷,从而产生静电力;样品与针尖都有可能发生变形,这样样品与针尖之间有形变力;特定磁性材料的样品和探针可产生磁力作用;对另一些特定样品和探针,可能样品原子与探针原子之间存在相互的化学作用,而产生化学作用力.但在研究样品与探针之间的作用力的大小时,往往假设样品与探针特定的形状(如平面样品、球状探针),可对样品和探针精心设计与预处理,避免或忽略静电力、形变力、磁力、化学作用力等的影响,而只考虑范德华力和排斥力[13].(4)AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件.目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1nm,而STM更高,达到0.01nm,因此足以检测出物质表面的微观形貌.但是,探针针尖曲率半径的大小将直接影响到测量的水平分辨率.Bustamante等人[14]指出,当样品的尺寸大小与探针针尖的曲率半径相当或更小时,会出现“扩宽效应”,即实际观测到的样品宽度偏大.这种误差来源于针尖边壁同样品的相互作用以及微悬臂受力变形[15,16].另外,Li等人[17]发现某些AFM图像的失真在于针尖受到污染.一般的机械触针为金刚石材料,其最小曲率半径约20nm.普通的AFM 探针材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4),其最小曲率半径可达10nm.由于可能存在”扩宽效应”,针尖技术的发展在AFM中非常重要.其一是发展制得更尖锐的探针,如用电子沉积法制得的探针,其针尖曲率半径在5~10nm之间[18].其二是对探针进行修饰,从而发展起针尖修饰技术.目前,用于AFM针尖修饰的技术[19]主要有:1、自组单分子膜修饰AFM针尖.这种化学修饰过的AFM针尖可用来定量测定基底与针尖自组膜的尾部基团之间的粘附力和摩擦力[20,21]. 2、生物分子修饰AFM针尖.Florin等人[22]用生物素修饰了AFM针尖,首先测量了单个配体/受体对之间的相互作用力.3、纳米碳管修饰AFM针尖.纳米碳管材料的研究是目前热门课题之一[23].纳米碳管具有非常适合于作为AFM针尖材料的物理、化学性质:良好的外形比例、尖端极小、良好的弹性、碳原子的反应多种多样(易于制功能化AFM针尖)等.Wong等人[24]用单层纳米碳管和多层纳米碳管修饰AFM针尖,它具有很高的空间分辨率,并通过化学反应进行胺基或羧基自组装膜,使针尖具有高度的化学敏感性.这种用纳米碳管修饰的针尖能用于单个配体/受体对之间相互作用、单个酸碱反应基团化学力滴定、化学力成像识别基底处的不同基团等的测量.这些针尖修饰技术在传统探测的物理量(力场、电场、磁场等)的基础上,引入了“化学场”,从而大大地提高和改善了AFM的空间分辨率和物质识别能力.探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品图像的空间分辨率.因此针尖技术的发展有赖于对针尖进行能动的、功能化的分子水平的设计.只有设计出更尖锐、更功能化的探针,改善AFM的力调制成像(force modulation imaging)技术和相位成像(phase imaging)技术的成像环境,同时改进被测样品的制备方法,才能真正地提高样品表面形貌图像的质量.三、AFM在材料分析领域的应用AFM可以在真空、超高真空、气体、溶液、电化学环境、常温和低温等环境下工作，可供研究时选择适当的环境，其基底可以是云母、硅、高取向热解石墨、玻璃等。
