納米材料是近十余年來新興的功能材料類型，一般而言納米材料在指在三維空間中至少有一維處于納米尺度，即100 nm以下，或是由此尺度的單元構(gòu)成的材料。100nm相當(dāng)于不到1000個(gè)原子緊密排列在一起，在這個(gè)尺度下，材料表現(xiàn)出了不同于宏觀狀態(tài)的力、光、電、磁、熱等屬性。因此成為化學(xué)和材料學(xué)科中研究非常廣泛，進(jìn)展很快的領(lǐng)域。

在納米尺度下，對此類材料的形貌表征普通的光學(xué)觀察方式不再適用。因此常用的是電子顯微鏡和原子力顯微鏡。而原子力顯微鏡因?yàn)榫邆淙S高分辨表征能力而且環(huán)境適用范圍廣，被廣泛運(yùn)用于納米材料的分析與檢測。

納米材料按維度可以分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。

零維材料是指電子無法自由運(yùn)動的材料，如量子點(diǎn)、納米顆粒與粉末等。

硅量子點(diǎn)太陽能電池形貌及粒度分布

GaAs (100)襯底上生長的In0.7Ga0.3As量子點(diǎn)

對于零維材料，普遍關(guān)注的是顆粒的粒徑以及粒徑分布情況。從以上兩個(gè)用案例可以看出，原子力顯微鏡可以很方便地獲得圖像及粒徑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

一維材料是指電子只能在一個(gè)方向上自由運(yùn)動的材料，如納米線、量子線。早期研究較為深入的一維材料是碳納米管。

單壁碳納米管

上圖是對單壁碳納米管的觀測。不僅可以直觀地看到其形貌，而且可以通過斷面測量獲得管徑數(shù)值。

同樣的，如果視野中觀察到了多條纖維，原子力顯微鏡的分析處理軟件也可以對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2004年曼徹斯特大學(xué)Geim 小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯，由此帶動了對二維材料的研究。主要包括石墨烯、拓?fù)浣^緣體、過渡金屬硫系化合物、黑磷等。

其中研究較為深入的是石墨烯。由于其各種優(yōu)良屬性均依賴于單層或少數(shù)幾層。所以對石墨烯的基本且重要的測試要求就是對層數(shù)的測量。

在這一點(diǎn)上，原子力顯微鏡具有很好的優(yōu)勢，也因此被列入了國家標(biāo)準(zhǔn)（GBT 40066—2021 納米技術(shù)氧化石墨烯厚度測量——原子力顯微鏡法）。

氧化石墨烯圖像

GBT 40066—2021中規(guī)定的厚度計(jì)算公式

上圖計(jì)算得到的計(jì)算數(shù)據(jù)，可知該片氧化石墨烯厚度為0.630±0.039nm，由此可推測這片氧化石墨烯為單層石墨烯。

綜上所述，在納米材料領(lǐng)域，原子力顯微鏡因其高分辨而且是三維成像的屬性，成為各類納米材料常用的分析工具。

島津原子力顯微鏡歷經(jīng)三十余年的發(fā)展與積累，應(yīng)對各種需求，不斷推出新型號和新功能，為科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展提供得力的工具。本文中所有圖片均為島津原子力顯微鏡獲得。

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