我們知道，納米顆粒在現(xiàn)今許多領(lǐng)域變得越來(lái)越重要，包括催化，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和信息存儲(chǔ)。它們獨(dú)特的尺寸依賴(lài)性使這些材料更優(yōu)越。使用原子力顯微鏡（AFM），可以分辨單個(gè)粒子和粒子群，與其他顯微技術(shù)不同，AFM提供了三維的可視化和分析。在這里我們將在不同的表面上制備氧化鈦，氧化鋯和氧化鋁納米顆粒，并通過(guò)AFM在動(dòng)態(tài)模式下表征。目標(biāo)是確定納米顆粒的形狀，尺寸和尺寸分布。

納米顆粒TiO2和ZrO2納米顆粒為水性懸浮液的形式，二者濃度均為20％。通過(guò)光學(xué)表征技術(shù)估計(jì)的TiO2和ZrO2顆粒的平均尺寸分別為8μ士3nm和11μ士3nm。這些顆粒的表面被化學(xué)改性以防止聚集。

通過(guò)氣相冷凝制備Al2O3納米粉末。該方法產(chǎn)生平均尺寸為100μs50的團(tuán)聚體形式的球形顆粒和/或尺寸為5-200μm的軟團(tuán)聚體。提示：大家知道實(shí)驗(yàn)材料不能直接拿來(lái)就觀察，要經(jīng)過(guò)一些處理，符合觀察的條件。

樣品制備技術(shù)（大家可以看下，這不是我們這節(jié)課要了解的內(nèi)容）首先將納米顆粒在去離子水中稀釋至適當(dāng)?shù)臐舛?，然后超聲處?/span>15-30分鐘。將50μl稀釋物置于清潔的基質(zhì)上（用乙醇清潔Si，然后用氮?dú)庹羝稍?/span>;在使用前云母新鮮切割），根據(jù)所需顆粒的密度孵育5-20分鐘，然后殘余溶液通過(guò)氮?dú)饬鞔祾?。?duì)所有樣品采用這種一般方法。在沉積納米顆粒之前改性基底的干凈Si表面的情況下，將APTES（3-氨基丙基三乙氧基硅烷）用于硅烷化方法。未處理的Si襯底在超聲波浴中用乙醇清潔10分鐘，用氮?dú)飧稍铮缓笤诔粞跏抑蟹胖?/span>5分鐘。然后通過(guò)將清潔的基底懸浮在含有少量APTES和甲苯的玻璃干燥器中，以1:10的比例將其清洗1小時(shí)，使其暴露于APTES氣氛中。不同稀釋濃度的TiO2納米顆粒的成像。

通過(guò)AFM在新鮮清洗的Si基底上對(duì)不同稀釋度的TiO2納米顆粒進(jìn)行成像。稀釋的量增加降低了表面上的納米顆粒的密度。由于尖端形狀的變化，納米顆粒的橫向尺寸在圖像上發(fā)生變化。然而，發(fā)現(xiàn)高度相對(duì)恒定為9-11nm。1:50從0.04％TiO2水懸浮液。納米顆粒的高度在9-11nm的范圍內(nèi)。

在不同基材上成像ZrO2納米顆粒在圖2中，ZrO2納米顆粒沉積在兩個(gè)不同的基底上。將50μl的ZrO2納米顆粒的懸浮液施加到干凈的Si和云母上，孵育5分鐘，然后用氮?dú)饬鞔蹈?。?/span>Si上的納米顆粒出現(xiàn)更多的分離，而云母中的納米顆粒出現(xiàn)凝結(jié)，。云母的親水性質(zhì)，即使在其被吹干之后，也可能導(dǎo)致納米顆粒形成附聚物。雖然納米顆粒的密度在Si和云母兩者上是相同的。與在Si上的納米顆粒相比，在云母上成像納米顆粒時(shí)觀察到更大的漂移。Al2O3納米顆粒的成像在干凈的Si襯底上的Al2O3納米顆粒的AFM圖像。

與TiO2和ZrO2納米顆粒相比，裸露的Al2O3納米顆粒易于團(tuán)聚。這可能是因?yàn)楹笳叩谋砻姹换瘜W(xué)改性，使得它們保持良好分離。順便提一下Al2O3納米顆粒的成像相對(duì)困難，因?yàn)橛捎谶@些團(tuán)聚體的大尺寸，在掃描期間尖端將非?？焖俚剽g化。在化學(xué)處理的Si基底上成像納米顆粒納米顆粒也在化學(xué)處理的基底上成像。用APTES（硅烷化試劑）改性清潔的Si，從而增加表面的疏水性。與化學(xué)處理的Si相比，清潔Si表面上的TiO2納米顆粒的密度非常高。原因在Si表面上的化學(xué)處理增加了表面的疏水性，從而降低了納米顆粒的粘附。盡管在溶液中具有相同的濃度，顯示707個(gè)顆粒，僅顯示11個(gè)顆粒?？梢钥闯?，化學(xué)處理（硅烷化）增加了Si襯底的疏水性。

當(dāng)納米顆粒的水性懸浮液沉積在該基底上時(shí)，表面排斥懸浮液，因此納米顆粒不粘附于表面。這就是為什么在化學(xué)處理的Si襯底上TiO2納米顆粒的密度降低的原因。底物的性質(zhì)起著非常重要的作用;它影響納米顆粒的數(shù)量和沉積在其表面上的顆粒的分布?？梢钥闯?，當(dāng)沉積在云母上時(shí)，ZrO2納米顆粒似乎形成團(tuán)聚體，而在Si基底上，它們看起來(lái)分布良好。這可能是由于云母的親水性質(zhì)。還可以看出，Si的化學(xué)處理（硅烷化）增加了其表面的疏水性。當(dāng)納米顆粒的水性懸浮液沉積在該基底上時(shí)，表面排斥懸浮液，因此納米顆粒不粘附于表面。這就是為什么在化學(xué)處理的Si襯底上的TiO2納米顆粒與干凈的Si相比具有降低的密度的原因。看來(lái)，納米顆粒對(duì)基底的粘附性隨著表面的疏水性的增加而降低，反之亦然。納米顆粒表面的性質(zhì)也影響基底上的分布。TiO2和ZrO2納米顆粒具有防止它們形成附聚物的化學(xué)處理的表面。而Al2O3納米顆粒是裸露的，因此具有彼此比基底更好地粘附并且傾向于凝結(jié)的傾向。

一句話總結(jié):用AFM觀察通過(guò)使用不同種類(lèi)的基底研究納米顆粒的行為和通過(guò)使用化學(xué)改性的方法改變基底的性質(zhì)研究其行為。文中通過(guò)TiO2，ZrO2和Al2O3納米顆粒以不同的濃度施加在不同種類(lèi)的基底上，并通過(guò)AFM在動(dòng)態(tài)模式下成像。發(fā)現(xiàn)所得圖像受所用基底的種類(lèi)，納米顆粒表面的性質(zhì)以及納米顆粒懸浮液的稀釋的影響。