style="width:5.49329in;height:3.21992in" /> 本文是学习GB-T 33714-2017 纳米技术 纳米颗粒尺寸测量 原子力显微术. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们
本标准规定了用原子力显微术(Atomic force microscopy,简称 AFM)
测量纳米颗粒高度来表征纳
米颗粒尺寸的方法。
本标准适用于分散在平整衬底表面上的纳米颗粒测量。
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 27760
利用Si(111)晶面原子台阶对原子力显微镜亚纳米高度测量进行校准的方法
GB/T 30544.1—2014 纳米科技 术语 第1部分：核心术语
ISO 18115-2 表面化学分析 术 语 第 2 部 分 扫描探针显微术术语(Surface
chemical
analysis—Vocabulary—Part 2:Terms used in scanning-probe microscopy)
GB/T 27760、GB/T 30544.1 和 ISO18115-2
界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
团聚体 agglomerate
弱束缚颗粒的堆积体、聚集体或二者的混合体，其外表面积与其单个颗粒的表面积的总和相近。
注1: 支撑团聚体的作用力都是弱力，如范德华力或简单的物理缠结。
注 2 : 团聚体也被称为次级颗粒，而源颗粒则被称为初级颗粒。
注3:利用成像技术，如 AFM,
一般很难区分样品在沉积过程中形成的团聚(即假象)或事先存在的团聚体。
3.2
聚集体 aggregate
强束缚或融合在一起的颗粒构成的新颗粒，其外表面积可能小于其单个颗粒表面积的总和。
注1:
支撑聚集体的力都是强作用力，如共价键或源于烧结或复杂的物理缠结。
注2: 聚集体也被称为次级颗粒，而源颗粒则被称为初级颗粒。
注3: 利用成像技术，如 AFM, 一般很难区分团聚和聚集。
如图1所示，AFM
采用带有针尖的微悬臂扫描样品表面，微悬臂的一端连接的是由 AFM 控制器
GB/T 33714—2017
驱动的压电扫描器，另一端的针尖感应样品表面与针尖之间相互作用力。当针尖与样品表面很接近时，
与表面之间的相互作用力(吸引力或排斥力)使微悬臂弯曲变形。激光从微悬臂的背面反射进入位置敏
感的光电检测器，微悬臂的形变可以通过反射光束的偏移量来测量，针尖的位移跟微悬臂的形变量呈线
性关系。微悬臂材料通常为硅或氮化硅，针尖曲率半径为纳米级。
根据针尖与样品表面相互作用力的不同，AFM
可以分为不同的操作模式，即接触模式、轻敲模式
和非接触模式。在接触模式下，针尖和样品表面之间是排斥力，针尖始终和样品接触；在非接触模式中，
针尖与表面的作用力是长程力；在轻敲模式下， 一个安置在 AFM
探针夹内的小型压电元件驱动微悬臂
在共振频率附近振荡，这种振荡的幅值大于10 nm, 通常在100 nm～200 nm
之间。与非接触模式相
比，轻敲模式下针尖与样品的间距更小，反馈机制控制压电驱动器上下移动微悬臂固定端，可维持微悬
臂在设定振幅值振荡，从而维持针尖与样品表面之间的作用力恒定，压电驱动器的移动量直接对应样品
的高度。
表面形貌图是通过探针逐行扫描待测样品表面并逐点记录压电驱动器的移动量而获得的，AFM
横向尺寸的测量受探针几何形状的影响，但对沉积在衬底上的纳米颗粒，AFM
高度测量的准确度和精
确度则很高。如果假设纳米颗粒为球形，则高度测量对应其直径或粒径，更多关于
AFM 技术及应用的
信息可查阅资料。
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说明：
1——微悬臂；
3——光电检测器。
图 1 AFM 工作原理示意图
原子力显微镜： 可在x,y,x 三个方向进行亚纳米尺度测量。
用 AFM
测量纳米颗粒尺寸要求颗粒须沉积在平整的表面上，该表面的粗糙度应比纳米颗粒的粒
径估计值小(最好小于半径的5%),以尽量减少表面粗糙度对纳米颗粒测量的影响，纳米颗粒沉积的具
style="width:4.17342in;height:2.5333in" />GB/T 33714—2017
体操作细节参见附录 A。
注：衬底制备和样品沉积的过程宜最大限度地减少潜在的污染和假象，制备好样品的储存过程中要注意保持样品
完好并防止污染。
无论选取何种衬底用于纳米颗粒的沉积，都应同时制备无待测纳米颗粒的空白对照衬底样品，并在
同等条件下对其成像，以确保排除假象或污染物的影响，这是因为在处理过程中引入的或者衬底本身带
有的污染物会被误认为是目标纳米颗粒。
沉积好的样品用过滤的气体流(如空气、氮气、氩气)进行干燥。
在 AFM
成像前应使用光学显微镜观察每个样品，以确保颗粒已较好地沉积在衬底上(即颗粒之间
可很好地分散而不是团聚),并选择分散良好且无过剩稳定剂的区域作为 AFM
测量区域。
注：该观察对确定是否发生过度沉积(即颗粒密度过高)是最有用的，若目标颗粒不吸收或散射足够的光，则光学观
察可能会受到阻碍。
为了获得准确的测量结果，要用合适的可溯源参考物质来校准压电扫描器的轴向(x
向)位移。 图2给出了一个台阶参考物质的表面结构示意图及 AFM 图像，它是由
Si 晶片上的矩形 SiO₂ 台阶阵列 组成，台阶高度标称值是19.5 nm±0.8 nm。
选择合适的台阶参考物质(台阶的高度应该与纳米颗粒特
征高度相近),用尖锐的针尖测量该样品的台阶高度(至少选取三个不同位置)。如果测量值和标称值差
异显著(如超出了校准台阶高度的不确定度范围),应咨询仪器制造商来重新校准压电扫描器的
向位
移。此外，也可参考国家标准 GB/T 27760
利用Si(111)面单原子台阶的校准方法进行。
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a) 示意图 b) AFM 形貌图像(扫描范围5μm)
说明：
h— 台阶高度；
l — 长度周期。
图 2 Si晶片上的矩形 SiO₂ 台阶参考物质的表面结构
在用AFM
进行纳米颗粒的尺寸测量时，通常选择轻敲模式，轻敲模式的优点是适用于对柔性表面
GB/T 33714—2017
或与表面结合不牢固的颗粒进行成像，因此是分析纳米颗粒尺寸的优选模式。
注
： 在该模式下，振荡的探针逐渐接近样品表面，针尖与样品之间的相互作用力从长程吸引力变化到微弱的排斥
力，微悬臂振荡的振幅和相位会随之发生变化。微悬臂通常以100 nm
的受激振幅振荡，针尖会非常短暂地进
入样品表面的排斥力作用区，与样品表面间歇接触引起振幅衰减。
在选择 AFM 的微悬臂时，应考虑以下几个关键参数：
注1:
探针由微悬臂及针尖构成，微悬臂的性质和尺寸及针尖的尖锐程度决定了 AFM
的灵敏度和分辨率。
a) 针尖曲率半径和几何形状
AFM
形貌图像实际上是针尖和样品的卷积，虽然并不影响高度测量，但它会影响表面形貌特
征。为了尽量降低卷积效应，推荐使用尖端曲率半径小于待测颗粒直径一半的探针。
b) 微悬臂刚度
推荐使用力常数≈40 N/m 的刚性微悬臂。
注2:微悬臂的稳定振荡是在轻敲模式下能够成功成像的必要条件，这需要微悬臂具有足够的能量来克服针尖与样
品间的粘附力(例如毛细力、范德华力、静电力等)。
c) 微悬臂倾斜度
对于大多数的 AFM
仪器，微悬臂本身的倾斜角度约10°~20°,这是为了确保探针上先与样品
接触的是针尖而非探针边缘等部分。虽然这并不影响高度测量，但是它却会造成表面特征的
不对称性，有些微悬臂制造商通过调整探针的几何形状对微悬臂的倾斜进行补偿，能提供"扫
描工作角度"对称的针尖。
AFM 图像有横向(x,y) 分辨率和垂直(x)
分辨率，针尖的曲率半径决定了其最高的横向分辨率，然 而，在图像分析中x 和
y 扫描方向的数据点数或像素也是影响横向分辨率的一个因素，如在用512的
像素获取一个10μm×10μm 图像时，像素尺寸是19.5 nm(10 μm/512
像素)。在这种情况下，在 10μm 扫描范围内不能分辨尺寸比19.5 nm
小的结构。在选择扫描范围时，应考虑颗粒的大小。推荐
像素尺寸是颗粒尺寸的十分之一。
完成 AFM 测量的准备步骤后(例如校准压电扫描管的x
向位移、选择和安装适当的微悬臂等),即
可进行纳米颗粒的测量。首先，大范围扫描以识别出纳米颗粒均匀分布的区域，
一旦选择合适的区域，
就可以开始使用上述推荐的初始扫描参数以获取纳米颗粒的图像。调整振幅反馈的增益(比例增益和
积分增益),以确保前进扫描线和后退扫描线(轮廓线)一致，保存这些图像以便后续进行图像分析。如
果图像质量有所下降或所观察到的纳米颗粒形状有些异常，建议更换 AFM
微悬臂。
实时获取的图像在保存后使用 AFM
制造商提供的软件进行脱机查看、修改和分析。以下是纳米
颗粒测量过程中的一些常用的数据处理功能：
a) 图像的平整化处理
首先进行AFM
图像的逐线平整处理，以去除图像采集过程的假象和其他影响因素，如样品表
面倾斜的假象、热漂移和扫描管的非线性。
b) 横截面轮廓线
在图像的任何部分画一个横截面线，沿着这条线的垂直轮廓线就会显示出来，可以进行任意的
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垂直距离、水平距离和角度测量。通过若干个轮廓线可以计算颗粒的高度，并可以确定纳米颗
粒是否是孤立的，以及是否吸附在平整表面区域。
跨过每个颗粒画一条可移动的截面线，使用鼠标来找到基线(纳米颗粒两侧)和峰顶点的平均值。
如果图像平整化处理做得合适(即在处理过程中排除了纳米颗粒),基线应该相对平直，这时从峰顶点减
去基线的平均高度即为纳米颗粒的高度。
在分析平均粒径和粒径分布的过程中，为确保抽样的代表性和无偏差性，应选择适当的方法来估计
纳米颗粒的抽样数量，以满足特定的置信水平。推荐统计大于100个纳米颗粒，获取的数据应来自图像
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