电化学原子力显微镜的原理及应用

　　电化学原子力显微镜(EC-AFM)在1991年问世，它将原子力显微镜技术扩展到电化学领域。电化学原子力显微镜是将接触式的原子力显微镜用于电解质溶液研究电极的表面形貌，其力的作用原理与大气中的原子力显微镜相同。

电化学原子力显微镜的原理

　　电化学原子力显微镜是将原子力显微镜与电化学方法联用的一种技术。

　　原子力显微镜的原理：

　　将一个对微弱力极为敏感的微悬臂的一端固定，另一端接一微小针尖，针尖与样品表面可轻轻接触。针尖的原子与样品表面原子间存在着极微小的吸引力或排斥力，将这种力控制为恒定，带有针尖的微悬臂在垂直于样品表面的方向上起伏运动，利用光学的检测方法可记录下悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品表面形貌的信息。

　　利用针尖与样品原子间作用力的不同可把原子力显微镜主要分为两种模式:利用近距离排斥力为敏感信号的接触模式和以远距离吸引力为敏感信号的轻敲模式。原子力显微镜又可分为在空气中成像和在液体中成像。

　　电化学原子力显微镜的结构和优点：

　　电化学原子力显微镜(EC-AFM)将原子力显微镜和电化学设备相联。电化学原子力显微镜多采用接触模式，在电解质溶液中成像。特殊的电解池上既可固定针尖，又可接入参比电极和对电极，固定在压电陶瓷管上的样品作为工作电极。

电化学原子力显微镜工作电极的选择

　　金属晶体、离子晶体、高定向热解石墨(HOPG)、半导体等均可作为工作电极。工作电极必须是极为平整的。

　　硼涂层的金刚石样品电极(BDF)可以在液体环境中提供很大范围的电压，而且可承受强氧化和腐蚀性的液体。根据涂层的厚度不同，BDF呈现半导体或半金属的不同特性。

　　平整的金属(Au、Pt、Ag、Rh和Cu)表面可通过以下技术得到:①退火如Au(100)电极在硫酸溶液中用电化学方法处理;②机械打磨单晶金属Cu经过电化学和机械打磨两种不同方法处理后的表面适用于不同的需要;③真空蒸发沉积如在平整的硅片衬底上真空蒸发沉积。

电化学原子力显微镜的应用

　　电化学原子力显微镜在电镀中的应用：

　　在一种金属表面沉积另一种金属是电极-电解质界面上发生的对结构敏感的反应之一。在欠电位沉积中，镀层金属以相对能斯特可逆方程较正的电位沉积到衬底金属上。原位或离线STM、AFM被广泛应用于欠电位沉积的研究中，用以观察沉积的过程，选择沉积的优化条件。如Cu、Bi、Pb、Ag和Hg在Au上的沉积，Pb、Cd在Ag上的沉积，Cu、Ag在Pt上的沉积，Cd在Cu上的沉积等。

　　电化学原子力显微镜观察电化学沉积膜的形成和性质：

　　有机分子的电聚合及电极表面的沉积一直是电化学研究的热门课题。从电化学原子力显微镜的动态观察结果可知，电化学沉积膜的形貌和结构与沉积电位、迁移电荷、介质的种类或电极的性质有关，而且AFM可以方便地检测膜的厚度。

　　电化学原子力显微镜测量两表面间的静电力：

　　电解质溶液中的两表面间的静电力在物理化学、生物及工程中起着重要作用，它能使胶体和乳液更稳定，影响生物分子的构造和功能，而且，双层间的静电力自身也包含着有用的信息。这种力在很大程度上受表面电势的影响，而表面电势引起的静电力Z终原因归结于电极的表面电荷变化。

　　电化学原子力显微镜为液体中短距离地精确测量不同电压所产生的静电力提供了便利手段。测量结果表明:静电力与两表面间所加电压、电解质溶液的性质和酸碱度等因数有关。

　　电化学原子力显微镜用于金属的电沉积和电腐蚀的研究已经很深入了，对于导电聚合物膜的研究也已相当系统。但是，对于生物大分子如蛋白、DNA分子的电化学性质的研究仍旧很少。从微观角度揭示生物大分子的电化学反应的本质以及研究单个生物大分子在电化学反应中的变化将是今后电化学原子力显微镜的一个新的研究领域。