Ny mikroskopi under omgivelserne opnår mindre end 10 nm rumlig opløsning på overfladepotentialemåling

En ny metode til mikroskopi af nanomaterialer kaldet Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM), giver mulighed for mindre end 10 nanometer målinger af arbejdsfunktion og overfladepotentiale i en enkeltpas AFM-scanning. Resultaterne er blevet publiceret i to relaterede artikler i ACS Nano og Angewandte Chemie International Edition .

Efterhånden som teknologien skrumper, behovet for at karakterisere egenskaberne af meget små materialer – målt i nanometer (1 nanometer =1 milliardtedel af en meter) – er blevet stadig vigtigere. Nanomaterialer, der måler fra 1 og 20 nanometer, viser lovende brug i næste generations elektroniske enheder, solceller, laserteknologi, og kemiske og biosensorer, for at nævne et par stykker. For skala, bredden af ​​et menneskehår er 75, 000 nanometer.

For at forstå overfladepotentialet af nanomaterialer, det mest almindeligt anvendte nanovidenskabelige værktøj er Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), som er en atomkraftmikroskopi (AFM) baseret teknik, der måler arbejdsfunktion og overfladepotentiale. Desværre, KPFM har sine begrænsninger på grund af dets anvendelse af AC -spænding til opladning af AFM -sonden.

"Hver KPFM-teknik fungerer efter det samme måleparadigme:AC-spænding bruges til at oplade en AFM-sonde fuldstændigt, således producerer en detekterbar elektrostatisk kraft til billedoptagelse, " forklarer Xiaoji Xu, adjunkt ved Lehigh Universitys afdeling for kemi. "Overbelastning af sonden med ladninger tvinger en grænse for den rumlige opløsning, da anklagerne ikke er begrænset til spidsen af ​​AFM-sonden. I stedet, overskydende ladninger optager hele cantilever og bidrager til signalet."

Nu, Xu og hans kandidatstuderende Devon S. Jakob har introduceret et helt nyt måleparadigme baseret på justeringen på Fermi-niveauer. Mens traditionelle KPFM-metoder producerer billeder med en rumlig opløsning på 30 til 100 nanometer, den nye Xu Research Group-metode, kaldet Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM), giver mulighed for mindre end 10 nanometer målinger af arbejdsfunktion og overfladepotentiale i en enkeltpas AFM-scanning. Deres resultater er blevet offentliggjort i en artikel i ACS Nano: "Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy."

"I Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy, vi fjernede behovet for AC-spændingen ved at implementere et brugerdefineret kredsløb af en felteffekttransistor mellem spidsen og prøven, der fungerer som en binær switch, " siger Xu. "Når kontakten er tændt, kredsløbet fungerer som en simpel ledning, lader ladninger passere mellem spidsen og prøven. En lille mængde ladninger migrerer spontant mellem spids og prøve baseret på den relative forskel i deres iboende Fermi-niveauer. Når kontakten er slukket, kredsløbet tillader ikke ladninger at passere, og fungerer som en kondensator til at reabsorbere ladningerne fra spidsen og prøveområdet."

PF-KPFM fungerer også udelukkende i pulserende krafttilstand, ifølge Xu. Ved at bruge pulserende krafttilstand, han siger, PF-KPFM målinger kan opnås nøjagtigt ved meget små spidsprøveafstande, hvor den elektriske kraft er stor, gør det muligt at afsløre heterogeniteter i små prøver.

"Det næste logiske trin var at kombinere PF-KPFM med Peak Force Infrared (PFIR) mikroskopi, en infrarød billedbehandlingsteknik opfundet i vores laboratorium, da begge teknikker bruger pulserende krafttilstand, " siger Xu. "Den resulterende teknik, navngivet PFIR-KPFM, giver topografisk, mekanisk, kemisk, og elektrisk information på <10 nm nanometer rumlig opløsning. "

Så, ud over at opnå betydelige forbedringer i måling af elektrisk potentiale i nanomaterialer i en enkeltpas AFM-scanning, PF-KPFM kan kombineres med (PFIR) mikroskopi til korrelative målinger med høj kapacitet, ifølge forskerne. Denne opfølgende undersøgelse er beskrevet i en artikel, "Peak Force Infrared? Kelvin Probe Force Microscopy, "kommer ind Angewandte Chemie International Edition .

"Pulsed force KPFM er den første KPFM-teknik til virkelig at implementere AFM's pulserende krafttilstand til nanoskala overfladepotentialkarakterisering, og den første KPFM-teknik, der skal kombineres med samtidig infrarød detektion i samme scanning, " siger Xu.

Betydningen af ​​nøjagtig måling af nanoelektriske egenskaber af materialer er vidtrækkende i både akademi og industri, ifølge forskerne. På grund af den stadig mindre størrelse af halvlederenheder, PF-KPFM kan være særligt nyttigt for teknologivirksomheder, da den høje rumlige opløsning af PF-KPFM afslører funktioner, der er for små til andre KPFM-teknikker. Tilsvarende de siger, PFIR-KPFM vil være gavnlig til at afsløre sammenhængene mellem kemisk heterogenitet, struktur, og elektriske egenskaber af laboratoriefremstillede solcellekomponenter.

"Ultimativt, " siger Xu, "Vi håber, at vores opfindelse vil åbne døren for karakterisering af nye materialer, og hjælpe med at bane vejen for mere effektive energirelaterede enheder."

Xus forskergruppe udvikler nye metoder og instrumenter til kemisk måling og billeddannelse på nanoskala med <10 nm rumlig opløsning. De anvender to infrarøde nanoskala billeddannelsesmetoder opfundet af Xu:peak force scattering-type nærfelts optisk mikroskopi (PF-SNOM) og peak force infrarød (PFIR) mikroskopi. Disse teknikker giver forskere mulighed for at studere tidligere utilgængelige objekter i nanoskala med multimodal spektroskopisk information tæt på den nedre grænse for rumlig skala.

Xu blev udnævnt til Sloan Research Fellow i 2020. Denne prestigefyldte pris, finansieret af Alfred P. Sloan Foundation, placerer Xu blandt "de mest lovende videnskabelige forskere, der arbejder i dag." Derudover blev udnævnt til Beckman Young Investigator, tjene en prestigefyldt bevilling tildelt af Arnold og Mabel Beckman Foundation til "de mest lovende unge fakultetsmedlemmer i de tidlige stadier af deres akademiske karriere inden for kemi og biovidenskab."