原子力显微镜如何用于能源研究

        原子力显微镜 (AFM) 是扫描探针显微镜 (SPM) 的一种形式，具有几分之一纳米级的分辨率。数据是通过用机械探针感应或触摸表面来获得的。压电元件允许在电气控制下进行小而精确的运动，从而实现无可挑剔的扫描。原子力显微镜不使用原子能，尽管它的名字是这样。

原子力显微镜的特点

        AFM 的三个主要功能是力测量、形貌成像和操作。

        探针和样品之间的力作为它们相互分离的函数，可以在力测量中使用 AFM 来测量。这可用于进行力谱分析并评估样品的机械特性，例如其杨氏模量。

        对于成像，可以使用探头对样品施加在其上的力的响应来创建样品表面的 3D 形状（形貌）的高分辨率图像。这是通过光栅扫描完成的。样品关于尖端的位置和记录探针的高度对应于探针和样品之间的稳定相互作用。伪彩色图是显示表面形貌的常用方法。

原子力显微镜的工作原理

        AFM 由一个悬臂组成，悬臂的一端有一个类似探针的尖端，用于扫描物体的表面。悬臂通常由具有纳米级曲率半径的硅或氮化硅制成。胡克定律指出，当尖端靠近样品表面时，尖端和样品之间的力会导致悬臂偏转。机械接触力、毛细力、范德华力和化学键合力是可以在 AFM 中根据环境测量的力。可以使用特定探头同时测量多个量。

        AFM 有多种操作模式可供选择，具体取决于应用。悬臂以特定频率振荡或振动的各种动态（非接触或“轻敲”）成像模式分为两类：静态（也称为接触）模式和动态（非接触）模式一般来说。

原子力显微镜的应用

        AFM 可用于许多自然科学学科，包括固态物理学、能源领域和半导体技术。研究由原子操作引起的物理性质变化是固态物理学的一种应用。其他应用包括识别表面原子、评估特定原子与其相邻原子之间的相互作用，以及评估原子操作导致的物理性质变化。

用于能源研究的原子力显微镜

        原子力显微镜作为能源研究的表征技术是一个不错的候选者，因为它可以局部检查纳米级电化学过程。通过应用各种 AFM 方法，锂离子电池、燃料电池和超级电容器等储能系统中使用的下一代材料的功率密度和寿命正在延长。AFM 还可用于研究局部离子传输和反应性。 

        迫切需要开发可再生能源存储技术以满足我们社会的性能需求。电催化挑战的基本知识是对电池改进的要求。AFM 在电化学系统的每个界面处提供高分辨率形态信息。原位原子力显微镜实验证明了纳米级界面反应的实时成像。

结合原子力显微镜和光学显微镜的好处

        在过去的二十年里，基于原子力显微镜 (AFM) 的方法在理解具有高时间和空间分辨率的光伏材料的结构和特性方面发挥了重要作用。同时，样品的形态特征可以与它们的电学、化学和光子特性相关联，这指出了这些复杂器件的性能和有效性之间的联系。AFM 已成为太阳能电池多参数和多用途表征的重要方法。光伏评估方法包括光电导原子力显微镜（pc-AFM）、时间分辨电力显微镜和开尔文探针力显微镜（KPFM）。

原子力显微镜的优点

        AFM 在几个方面优于其他显微镜。AFM 提供三维表面轮廓，而不是样品的二维投影或电子显微镜图像。

        AFM 样品在最终图像中不会带电，并且不需要任何可能永久改变或影响样品的特定处理（如金属或碳涂层）。

        AFM可以在周围空气甚至液体环境中准确运行；其他显微镜需要昂贵的真空环境才能有效运行。因此，现在可以研究生物大分子甚至生物。AFM 理论上可以提供更高的分辨率。

原子力显微镜的局限性

        单次扫描图像大小是 AFM 的一个缺点。AFM 只能成像大约 150 微米的最大扫描区域和大约 10-20 微米的最大高度，而电子显微镜可以成像大约平方毫米的区域，景深为毫米级在一次扫描中。

        使用诸如千足虫数据存储之类的并行探针是增加 AFM 扫描区域大小的一种方法。

结论

        在能源研究的背景下，原子力显微镜（AFM）可用于检测和量化几种材料在大气、液相和超高真空环境中的纳米级物理特性。它现在是能源研究应用的重要工具。

        AFM 用于许多能源研究应用，例如生物能源、地热、光伏、可再生燃料和太阳能电池板。