電池、燃料電池和電解槽對(duì)于滿足我們未來的能源供應(yīng)需求非常重要，對(duì)于這些應(yīng)用方向，必須生產(chǎn)復(fù)雜的電極層。電極層的制備與涂層工藝相類似，需要無裂紋或夾雜物的均勻電極層以及干燥層的均勻涂層厚度。由于網(wǎng)絡(luò)的最終形成發(fā)生在干燥步驟中，因此重點(diǎn)在于孔隙率和電極組分在層中的局部分布（平面內(nèi)和平面內(nèi)）。
原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）是一種高分辨率的顯微鏡，能夠以納米級(jí)別的精度研究材料表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
原子力顯微鏡* 其核心功能是通過一個(gè)極其尖銳的探針（探針尖端的曲率半徑可達(dá)納米級(jí)）來“觸摸”或“感知”樣品表面。
與光學(xué)顯微鏡依賴光波、電子顯微鏡依賴電子束不同，AFM依賴的是探針尖端的原子與樣品表面原子之間極其微弱的相互作用力（如范德華力、靜電力、磁力、毛細(xì)力等）來獲取信息。
圖1. AFM示意圖。DOI: 10.1016/j.micron.2023.103460
通過精確控制探針在樣品表面的逐點(diǎn)掃描，AFM不僅能夠以納米甚至原子級(jí)別的分辨率生成樣品表面的三維形貌圖像，還能同步測量和表征樣品的多種物理化學(xué)性質(zhì)，如硬度、彈性、摩擦力、粘附力、電學(xué)、磁學(xué)及熱學(xué)特性等。
這種多功能性使其適用于從硬質(zhì)材料到柔軟生物樣本的各種研究對(duì)象，并且可以在大氣、液體、真空等多種環(huán)境下工作。
圖2 對(duì)電池電極層上300 * 300 µm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行表征
在涂覆和干燥之后，所生成的電極層的機(jī)械性能受到電極組成和結(jié)構(gòu)的顯著影響。聚合物粘結(jié)劑在電極中的分布是一個(gè)重要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，利用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)其表面進(jìn)行表征可以提供一個(gè)途徑。機(jī)械后壓延可以進(jìn)一步增加電極的能量密度，前提是孔系統(tǒng)仍然可以接近（后來添加的）電解液。此外，納米壓痕法可以測定硬度和楊氏模量的分布，這反過來又代表了生產(chǎn)過程的重要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)參數(shù)的典型分布如圖2A和2B所示，這是以磷酸鐵鋰作為活性材料，通過刮刀法生產(chǎn)的電池電極的示例。
圖3 通過AFM不同模式在電池電極層上進(jìn)行表征，區(qū)域5 x 5µm
(A) 形貌表征 (B) CRAI模式 (C) C-AFM模式 (D) KPFM模式
通過AFM測量電極層的表面形貌和表面粗糙度，如圖3所示，表明了電極層表征尺度可從微米尺度向納米尺度上進(jìn)發(fā)的可能性。在三維形貌中，清晰可見單個(gè)顆粒和團(tuán)聚物，如圖3A，用接觸共振振幅成像（CRAI）方法可定性地記錄機(jī)械表面性能的差異。在圖3B所示的樣品上，可以看到很明顯的光和暗區(qū)域，表明較軟或更硬的區(qū)域。
除了表面形貌和力學(xué)參數(shù)的測定外，表面電性能也可以用AFM測定。用C-AFM測定了樣品表面結(jié)構(gòu)的局部電流。圖3C顯示了所示電池電極的測量結(jié)果，顯示了局部不同的導(dǎo)電率。電原子力顯微鏡方法也可以用來研究化學(xué)表面性質(zhì)，測量示例如圖3D所示。測得的接觸電位差與測試探針和樣品表面之間功函數(shù)的差異相關(guān)，從而提供有關(guān)化學(xué)鍵狀態(tài)的信息（化學(xué)材料對(duì)比）。
適用樣品與送樣須知
3.1 適用樣品
1. AFM制樣對(duì)樣品導(dǎo)電與否沒有要求，可以很平也可以不那么平，對(duì)表面光潔度有一定要求，測量范圍比較廣泛，粉末、薄膜、塊狀、液體樣品均可測試；適用于多種環(huán)境，可在真空，空氣和溶液中進(jìn)行；
2. 可以測試有機(jī)固體、聚合物以及生物大分子等，樣品大小最大1×1cm，厚度最厚0.5cm；
3. 樣品上下表面整潔，沒有油漬灰塵等污染物；
4. 若是納米顆粒樣品，先用分散劑超聲分散后，滴在云母、硅片等平整的基底上，干燥后測試；
5. 若是靜電紡絲樣品，要求樣品緊實(shí)致密。若不能制備為緊實(shí)致密的靜電紡絲樣品，要求樣品制備在鋁箔的光滑表面，且為單層絲；
6. 若樣品表面有無機(jī)鹽，先用水等清除鹽分后來測試，因?yàn)辂}分結(jié)晶影響形貌的掃描；
7. 若是要測試薄膜厚度，先把薄膜和基底作出一個(gè)邊界清除的臺(tái)階。
3.2 送樣須知
1. 樣品狀態(tài)：可為粉末、液體、塊體、薄膜、有機(jī)固體、聚合物以及生物大分子等，除薄膜/片狀樣品，通常以液體形式進(jìn)行制樣，保證樣品均勻分散，無沉積；樣品的載體可以是云母片、玻璃片、石墨、拋光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中常用的是云母片和硅片。薄膜或塊片可以直接測試。
2. 粉末/液體樣品：常規(guī)測試項(xiàng)目樣品起伏一般不超過5 μm，特殊測試項(xiàng)目樣品起伏一般不超過1 μm，液體1 mL左右，保證樣品均勻分散，要求無沉積，溶液澄清透明，液體樣品的濃度不能太高，否則粒子團(tuán)聚會(huì)損傷針尖，納米粉末分散到溶劑中，越稀越好。粉末提供10 mg左右，請(qǐng)務(wù)必備注好制樣條件，包括分散液，超聲時(shí)間及配制濃度。
3. 薄膜或塊狀樣品尺寸要求：尺寸小于1×1 cm ，厚度0.5 cm以內(nèi)，表面平整，高低起伏小于1 μm。如果樣品表面粗糙度過大，會(huì)損壞探針的樣品，無法測試。一定要標(biāo)明測試面！塊狀樣品需要固定好，避免在寄送過程產(chǎn)生晃動(dòng)或摩擦影響測試結(jié)果！
4. 測試PFM、KPFM、C-AFM的材料需要將樣品制備在導(dǎo)電基底上，基底大小符合塊狀樣品的尺寸要求，KPFM、C-AFM的樣品需要導(dǎo)電或至少為半導(dǎo)體。
5. PFM，KPFM測試需要樣品表面十分平整，樣品粗糙度最好在10-200 nm之間，粉末樣品測試很難測到較好結(jié)果，下單前請(qǐng)確保風(fēng)險(xiǎn)可接受。
制樣與測試流程
√ 有襯底樣品
例如固體塊體類，薄膜類樣品，可以直接將樣品粘在樣品臺(tái)上測試，標(biāo)記好測試面。一般尺寸小于1×1 cm ，厚度0.5 cm以內(nèi)，表面平整，高低起伏小于1 μm。測試前樣品需要進(jìn)行表面清潔或拋光，用氮?dú)獯祾呋蛘呔凭逑?，打開真空吸附固定樣品。如需測電學(xué)性質(zhì)，需要增加導(dǎo)電的可以在表面鍍金、鉑等金屬。
√ 無襯底樣品
固體粉末類，細(xì)胞等生物類樣品，液體類樣品等通常以液體形式進(jìn)行制樣，都是先將樣品分散成溶液（一般分散劑為水、無水乙醇或丙酮等），然后將溶液滴至干凈的硅片或云母片上，靜置，加熱或者自然晾干，用N2吹干表面后進(jìn)行測試。
特殊樣品如DNA分子，為了增強(qiáng)樣品和基底的相互作用力，可以在樣品中加入一些陽離子如Mg2+，Zn2+等。
細(xì)胞類樣品，可以直接液相測試，可以用瓊脂固定法或者對(duì)基地進(jìn)行聚賴氨酸修飾增強(qiáng)樣品和基底的靜電相互作用固定細(xì)胞。
如需測電學(xué)性質(zhì)，需增加導(dǎo)電，將樣品滴在導(dǎo)電膠上。
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