垂准仪使用原理

原子力显微术（AFM）作为一种表征手段，已成功应用于研究各个领域的表面结构和性质。随着人们对多功能和更高精度的需求，原子力显微技术得到了快速发展。目前，原子力显微镜针对不同的研究对象，搭配特定的应用功能模块可以研究材料的力学、电学以及磁学等特性。其中压电力显微术（PFM）已被广泛应用于研究压电材料中的压电性和铁电性。1. 压电材料与铁电材料压电材料具有压电效应，从宏观角度来看，是机械能与电能的相互转换的实现。当对压电材料施加外力时，内部产生极化现象，表面两侧表现出相反的电荷，此过程将机械能转化为电能，为正压电效应。与之相反，若给压电材料的施加电场，材料会产生膨胀或收缩的形变，此过程将电能转化为机械能，为逆压电效应。铁电材料同时具备铁电性和压电性。铁电性指在一定温度范围内材料会产生自发极化。铁电体晶格中的正负电荷中心不重合，没有外加电场时也具有电偶极矩，并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向。并非所有的压电材料都具有铁电性，例如压电薄膜 ZnO。压电铁电材料广泛应用于压电制动器、压电传感器系统等各个领域，与我们的生活息息相关，还应用于具有原子分辨率的科学仪器技术，例如在原子力显微镜中扫描的精度在很大程度上取决于内部压电陶瓷管扫描器的性能。2. PFM工作原理原子力显微镜是一种表面表征工具，通过检测针尖与样品间不同的相互作用力来研究样品表面的不同结构和性质。针尖由悬臂固定，激光打在悬臂的背面反射到位置敏感光电二极管上，由于针尖样品间作用力发生变化会使悬臂产生相应的形变，激光光束的位置会有所偏移，通过检测光斑的变化可获得样品的表面形貌信息。 图1 压电力显微术工作原理PFM测量中导电针尖与样品表面接触，样品需提前转移到导电衬底上，施加电压时可在针尖在样品间形成垂直电场。为检测样品的压电响应，在两者之间施加AC交流电场，由于逆压电效应，样品会出现周期性的形变。当施加电场与样品的极化方向相同时，样品会产生膨胀，反之，当施加电场与样品的极化方向相反时，样品会收缩。由于样品与针尖接触，悬臂会随着样品表面周期性振荡发生形变，悬臂挠度的变化量与样品电畴的膨胀或收缩量直接相关，被AFM锁相放大器提取，获得样品的压电响应信号。3． PFM的测量模式图2 压电力显微术的三种测量模式PFM目前有三种测量模式，分别为常规的压电力显微术、接触共振压电力显微术和双频共振追踪压电力显微术。常规的压电力显微术在测量过程中针尖的振动频率远小于其自由共振频率，将其称为Off-resonance PFM。这种模式得到的压电信号通常较小，一般需要施加更高的电压，通常薄层材料的矫顽场较小，有可能会改变样品本身的极性，不利于薄层材料压电响应的测量，存在一定的局限性。此时获得的振幅值正比于压电系数，利用针尖的灵敏度可直接将振幅得到的PFM 信号转换为样品的表面位移信息，获得材料的压电系数。接触共振的压电力显微术测量称其为contact-resonance PFM，可以有效放大信号，针尖的振动频率为针尖与样品接触时的接触共振频率，一般是针尖自由共振频率的3-5倍。此时无需施加很高的外场就能得到较强的PFM信号，不会改变样品的极化方向。此时测得 PFM 压电响应信号比常规FPM测量的响应信号幅值放大了 Q 倍（Q为共振峰品质因子），计算压电系数时需考虑放大的倍数。但此技术也存在一定的局限性，针尖的接触共振频率是在某一位置获得的，接触共振频率取决于此位置的局部刚度。在扫描的过程中，针尖与样品之间的接触面积会发生变化，引起接触共振频率的变化，若以单一的接触共振频率为针尖的振动频率会使得信号不稳定，测得的振幅信号在共振频率处放大，其余地方信号较弱，极大的影响压电系数的定量分析，得到与理论值不符的压电系数。与此同时PFM信号易与形貌信号耦合，产生串扰。双频共振追踪压电力显微术（DART-PFM）可以有效避免压电信号与形貌的串扰。在这项技术中，通过两个锁相放大器分别给针尖施加在接触共振峰两侧同一振幅位置的频率，当接触共振频率变化时，振幅会随之变化，锁相放大器中的反馈系统会通过调节激励频率消除振幅的变化，由此获得清晰的形貌和压电信号。此时在量化压电系数时需要额外的校准步骤确定振幅转化为距离单位的值，目前一般是通过三维简谐振动模型去校准修订得到压电材料的压电系数。 4. PFM的表征与应用PFM测量中可获得样品的振幅和相位图。图中相位的对比度反映样品相对于垂直电场的极化方向，振幅信息显示极化的大小以及畴壁的位置。一般来说，材料的压电响应是矢量，具有三维空间分布，可分为平行和垂直于施加外场的两个分量。图3 BFO样品的PFM表征图[1]若样品只存在与电场方向平行的极化响应，PFM所获得的振幅和相位信息可直接反映样品形变的大小和方向，若样品畴极化方向与外加电场相同，相位φ=0；若样品畴极化方向与外加电场相反，则相位φ=180°。此时垂直方向的压电响应常数可直接由获得的振幅与施加的外场计算出来，在共振频率下可以定量测量。值得说明的是，PFM获得的压电响应常数很难与块体材料相比较，因为样品在纳米尺度的性质会与块体材料有显著的不同。若样品具有平行和垂直于电场的压电响应，在施加电场时，样品的形变出现面内和面外两个方向。利用Vector PFM可以同时获得悬臂的垂直和横向位移，可以将得到的信号矢量叠加，获得样品的三维PFM图像。压电力显微术不仅可以成像，还能用于研究铁电材料的电滞回线，并且可以对铁电材料进行写畴。铁电材料的相位和振幅与施加的电压呈函数关系，测得的电滞回线和蝴蝶曲线可以用于判断铁电材料的矫顽场，矫顽场是铁电材料发生畴极化反转时的外加电压。一般的电滞回线的获取需要施加大于±10V的直流偏压，但值得注意的是较高的直流电压会增加针尖与样品间的静电力贡献，静电力信号有可能超过压电响应信号，从而掩盖畴极化反转信号。图4 SS-PFM的工作原理图开关谱学压电力显微术(SS-PFM)可以有效减小静电力的影响，原理如图4所示与普通PFM在测量电滞回线时线性施加DC电压的方式不同，SS-PFM将DC电压以脉冲的形式初步增加或减小，每隔一定的时间开启和关闭DC电压，并且持续施加AC交流电。其中DC用于改变样品的极化，AC交流电用于记录DC电压接通和关闭时的压电信号。图为研究二维异质材料MoS2/WS2压电性能时利用SS-PFM测得的材料特性曲线。 图5 二维异质材料MoS2/WS2的材料特性曲线[2]铁电材料与普通压电材料最大不同是在没有外加电场时也具有电偶极矩，并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向，因此可利用是否能够写畴来区分铁电材料。知道压电材料的矫顽场之后可以对样品进行局部极化样品进行写畴，畴区可以自定义，正方形、周期阵列型或者更加复杂的图案。最简单的写畴是先选择一10×10μm正方形区域，其中6×6μm区域施加正偏压，4×4μ区域施加负偏压，获得回字形写畴区域，在相位图中可以清晰的看到所写畴区。图6 Si掺杂HfO2样品的回字形写畴区域[3]5. 注意事项在PFM测量中首先要保证在样品处于电场之中，在样品的前期准备时需将样品转移至导电衬底，并确定针尖和放置样品的底座可以施加电信号，此时才能保证施加电压时在针尖在样品间具有垂直电场。在PFM测量中静电效应的影响也不容忽略，导电针尖电压的电荷注入可诱导静电效应并影响材料的压电响应，导致PFM振幅和相位信息与特性曲线失真。尽管静电效应在 PFM 测试中无可避免，但可以使用弹簧常数较大的探针或者施加直流偏压来尽量减小其中的静电影响。此外针尖的磨损也会极大的影响PFM测量。由于针尖与样品间相互接触，加载力不宜过高，过高会损坏样品表面，保持恒定适中的加载力。此外使用较软的针尖在扫描过程中可以保护针尖不受磨损，并且保护样品。PFM测量中常用的针尖为PtSi涂层的导电针尖，以获得较稳定的PFM信号。参考文献[1] HERMES I M, STOMP R. Stabilizing the piezoresponse for accurate and crosstalk-free ferroelectric domain characterization via dual frequency resonance tracking, F, 2020 [C].[2] LV JIN W. Ferroelectricity in untwisted heterobilayers of transition metal dichalcogenides [J]. Science (New York, NY), 2022, 376: 973-8.[3] MARTIN D, MüLLER J, SCHENK T, et al. Ferroelectricity in Si-doped HfO2 revealed: a binary lead-free ferroelectric [J]. Adv Mater, 2014, 26(48): 8198-202.作者简介米烁：中国人民大学物理学系在读博士研究生，专业为凝聚态物理，主要研究方向为低维功能材料的原子力探针显微学研究。程志海：中国人民大学物理学系教授，博士生导师。2007年，在中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室，获凝聚态物理博士学位。2011年-2017年，在国家纳米科学中心纳米标准与检测重点实验室，任副研究员/研究员。曾获中国科学院“引进杰出技术人才计划”和首届“卓越青年科学家”、卢嘉锡青年人才奖等。目前，主要工作集中在先进原子力探针显微技术及其在低维量子材料与表界面物理等领域的应用基础研究。

大家好，欢迎来到葛老师话说实验室。氮气吹干仪（Termovap Sample Concentrator），又称为氮气吹扫仪，氮吹浓缩仪，简称：氮吹仪、吹氮仪，用于液相、气相及质谱分析中的样品制备。氮吹仪通常将氮气吹入加热样品的表面进行样品浓缩，具有省时、操作方便、容易控制等特点，可很快得到预期的结果。氮吹仪代替传统的旋转蒸发仪对样品进行浓缩已经被越来越多的人认可并接受，广泛应用于农残分析、商检、食品、环境、制药、生物制品等行业。1、氮吹仪的工作原理 氮气是一种不活泼的气体，能起到隔绝氧气的作用，防止物质氧化。而加快液体蒸发有三个方法：加强它周围的空气流动、加大液体的表面积和提升它的温度。氮吹仪利用氮气的快速流动打破液体上空的气液平衡，从而使液体挥发速度加快；并通过干浴、水浴或者沙浴加热方式升高温度（目标物的沸点一般比溶剂的要高一些），从而达到浓缩目的。2、氮吹仪的优点（1）一次可处理多个样品，在多因素、多水平的重复实验中优势更为明显。（2）实验操作简洁、灵活，可以不受约束地随时调节浓缩的进程。（3）实验中不需要操作者长时间的维护，节省人力。（4）氮吹仪在浓缩时准确、灵敏，可避免样品损失。3、氮吹仪的应用领域 氮吹仪主要用于色谱、质谱等分析样品的纯化和制备，广泛应用于水、甲苯、甲醇、丙酮等溶剂的挥发。应用领域有：（1）农残分析：如蔬菜、水果、谷物、植物组织（2）环境分析：如饮用水、地下水和污染水水样（3）制药药检：如中药制药（4）生物分析：如血清、血浆、血液、尿液（5）商品检验：如二噁英、克罗特罗等的检验（6）食品饮料：如牛奶、酒、啤酒、液体饮料4、氮吹仪的使用注意事项（1）氮吹仪不应用于燃点低于100℃的物质。（2）使用氮吹仪时，实验员应保护好手和眼睛。（3）为保证良好通风，氮吹仪应在通风橱中使用。（4）氮吹仪在加热时，请勿移动，以防烫伤。（5）仪器接电时，应采用三线接地电源。（6）不要在氮吹仪通电情况下，打开水浴外壳，以防触电。（7）维修氮吹仪时，应当由专业人员进行，以免元器件替换不当引起氮吹仪损坏或造成安全隐患。（8）高易燃物质，如石油醚等，请勿用于氮吹仪。5、氮吹仪的保养（水浴型举例）（1）加热介质：最好使用蒸馏水和去离子水，可防止在水浴壁上产生水垢。注意不要使用有机溶剂作为加热介质。（2）除藻剂：不加热时，可在水浴中添加除藻剂，防止生物污染。但不应使用酸性除藻剂，且应确保所用除藻剂不会影响待处理样品。（3）换水：建议一周更换次水浴的水，最长不超过一月。（4）酸性环境：当接触或暴露于酸性材料、蒸汽或样品后，应当立刻清洗，用适度的碳酸氢钠溶液或其它相似溶液中和，再用清水冲洗。长时间接触酸性物质，将会损坏仪器。如必须长时间接触酸性物质，则应采取保护措施。（5）针头：每次使用完针后都应清洗，尽量减少针的污染。可使用有机溶剂冲洗、高压消毒和索氏提取等技术。（6）浸没：浴底耐水但不防水。绝不能将水浴浸泡在任何液体中，或放置在可能发生浸泡的地方。 以上就是本期人和科仪《葛老师话说实验室》的全部内容，我们将陆续为您推送各类精彩定评与文章，希望能给您的实验室生活带来些许帮助。 更多详情欢迎来电咨询：400 820 0117 同时欢迎点击我司网站 www.renhe.net 查询更多产品优惠信息 扫描以下二维码或是添加微信号“renhesci”，加入人和科仪的微信平台，即刻成为人和大家庭中的一员。 现在加入更有好礼相送！ 上海人和科学仪器有限公司 上海市漕河泾新兴技术开发区虹漕路39号华鑫科技园区B座四楼（200233） 电话：021-6485 0099 传真：021-6485 7990 公司网址: www.renhe.net E-mail:info@renhesci.com 【上海人和科学仪器有限公司数十年来一直致力于提升中国实验室水平，从提供全球一流品质的实验室仪器、设备，到为客户度身定制系统的实验室整体解决方案，通过专业、细致和全面的技术支持服务实现“为客户创造更多价值”的承诺。主要代理品牌：DRAGONLAB、BROOKFIELD、BRUINS、GRABNER、EXAKT、ATAGO、ART、ILMVAC、IKA、MIELE、MEMMERT、KOEHLER、YAMATO、海洋光学、全谱科技等。】

水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气使用安全防护注意事项 ：一．水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气的危害及急救 空气中水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气含量过高，使吸入气氧分压下降，引起缺氧窒息。吸入水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气浓度不太高时，患者初感胸闷、气短、疲软无力；继而有烦躁不安、极度兴奋、乱跑、叫喊、神情恍惚、步态不稳，称之为“氮酩酊”，可进入昏睡或昏迷状态。吸入高浓度，患者可迅速昏迷、因呼吸和心跳停止而死亡。 1受限空间水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气的危险 2置换受限空间内的氧气，引起窒息。 3临时作业棚形成的封闭区造成氧气含量减少，引起窒息。 4液氮的危险 5皮肤接触液氮可致冻伤。 6产生极端低温，引起霜冻，使设备裂开，轮胎爆裂。 7如在常压下汽化产生的水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气过量，可使空气中氧分压下降，引起缺氧窒息。 8发生水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气时急救 9水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气中毒迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。 液氮皮肤接触 若有冻伤，就医治疗。 二.管理要求 1用水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气进行气密试验时，对设备、管道按从力等级划分，相互之间及系统以外的连接阀处加盲板隔离，防止窜气损伤他人；安全阀处于完好状态，拆除所有超量程仪表或关闭根部阀，防止因超压造成仪表、设备、管线的损坏；充压过程中应有专人监护，以防超温超压，选取的试验庄力为操作庄力的1.1倍。作业中应撤离相关系统内现场其他作业人员，巡检人员的站位应注意法兰(盖)的侧面和对面都不能站人。另外对泄漏点的处理应在泄压后进行，严禁带压处理。 2系统或设备水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气吹扫、置换，置换前应制定作业方案，确定作业流程，明确排放地点，做到明确分工、责任落实。排放口应设置在安全地方或配有专人监视，作业时排放口附近撤离从事其他作业的相关人员。 进行吹扫、置换的设备、管道系统采取可靠的隔离。所有与吹扫无关的部位、系统要关闭或加盲板隔离，相关的操作严格按盲板示意图执行，同时附上盲板隔离检查汇总记录。置换时要逐个打开所有的排污阀或放空阀泄压和排放余液，调节阀的前后阀旁通也应打开。 3.置换应根据水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气和被置换介质密度的不同，选择水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气进入点和被置换介质的排放点，确定取样分析部位，以免遗漏，防止出现死角。在指定的采样点测量氧含量、烃类气体含量，采样点应选在水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气置换接气口的下游(终点和易形成死角的部位附近)。水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气置换至氧含量小于0.5%后，泄压至微正压状态保压。 4.凡需进入处理(检查或检修)的设备，经水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气吹扫、置换合格后，还用空气进行吹扫、置换，并经气体检测把关。其中气体检测取样分析要有代表性、全而性，设备容积较大时要对上、中、下各部位取样分析，应保证设备内部任何部位的含氧量和可燃气体浓度同时合格(当可燃气体极限大于4%时，指标为小于0.5 极限小于4%时，指标为小于0.1；氧含量19.5一23.5%为合格)。注意对设备内部容易积聚或死角的地方进行吹扫、置换。用空气吹扫、置换前，关闭水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气阀门，拆除连接管线或加盲板隔离。 5.勿需进人处理(检杏或检修)的设备，经水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气吹扫、置换合格后，关闭水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气阀门，拆除连接管线，系统泻压后，才可进行拆卸或检修。在有水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气危险，可能使周围环境缺氧的地力，应采取合适的预防措施，如配备呼吸设备或氧气检测仪等. 6.拆卸、检修有氮封的容器盖板(盲板)、阀门时，先关闭进氮阀门，必要时加言板隔断。作业人员要进入氮封的设备，或探入氮封设备前，在办理作业许可证的同时，进行第二阶段风险评估并经额外授权方可作业.进入人员佩带隔离式空气防毒面具，二人协同进行，设备人孔口外要有专人监护，未经批准，严禁进入和探入。 7.在打开经过水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气吹扫置换工艺处理的入孔或其它开口处，为防止未经许可随意进入可能存在缺氧环境的受限空间，作业过程中人员全部离开后应山监护人员及时恢复设置。 8.在使用液氮装轴承时提供良好的自然通风条件。操作人员经过专门培训，严格遵守操作规程。戴防寒手套，防止气体泄漏到工作场所空气中。 9.操作人员在水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气风险控制方面的安全做法 10.各班组之间加强信息交流，对存在的水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气安全问题及时向下个班反映。加强生产管理禁止任何人用水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气吹扫卫生行为。 11.使用呼吸器(PPE)的操作人员接受相关培训，确保正确的选型和使用。 12.在受限空间内、有水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气危险的设备开孔处等现场作业人员应配备便携式气体检测器。当作业过程中产生报警时，应立即停止作业，撤离现场并进行风险评估。 14.严禁以下行行为；不戴呼吸设备向可能存在水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气危险的容器内探视；在未配备合适呼吸设备的情况下，在有水浴氮吹仪和氮气吹扫仪氮气排放的容器开孔处近端工作；出现紧急情况，擅自在无监护人员的情况下进入受限空间施救等现场行为。