环境下的新型显微镜在表面电位测量上实现小于10nm的空间分辨率

一种称为脉冲力开尔文探针力显微镜 (PF-KPFM) 的新型纳米材料显微镜方法允许在单程 AFM 扫描中对功函数和表面电位进行小于 10 纳米的测量。研究结果发表在ACS Nano和Angewandte Chemie International Edition 的两篇相关文章中。

随着技术的缩小，表征以纳米为单位(1 纳米 = 十亿分之一米)的非常小的材料特性的需求变得越来越重要。尺寸为 1 到 20 纳米的纳米材料有望用于下一代电子设备、太阳能电池、激光技术以及化学和生物传感器，仅举几例。就比例而言，人的头发的宽度是 75,000 纳米。

要了解纳米材料的表面电位，最常用的纳米科学工具是开尔文探针力显微镜 (KPFM)，这是一种基于原子力显微镜(AFM) 的技术，可测量功函数和表面电位。不幸的是，KPFM 有其局限性，因为它使用交流电压为 AFM 探针充电。

“每种 KPFM 技术都以相同的测量范式运行：交流电压用于为 AFM 探针完全充电，从而产生用于图像采集的可检测静电力，”利哈伊大学化学系助理教授 Xiaoji Xu 解释说。“用电荷使探头过载会迫使空间分辨率受到限制，因为电荷不仅限于 AFM 探头的顶点。相反，多余的电荷占据了整个悬臂并对信号做出了贡献。”

现在，徐和他的研究生 Devon S. Jakob 引入了一种基于费米能级对齐​​的全新测量范式。传统的 KPFM 方法产生的图像空间分辨率为 30 到 100 纳米，而新的徐研究小组方法，称为脉冲力开尔文探针力显微镜 (PF-KPFM)，允许在小于 10 纳米的情况下测量功函数和表面电位。单程 AFM 扫描。他们的研究结果发表在ACS Nano的一篇文章中： “脉冲力开尔文探针力显微镜”。

“在脉冲力开尔文探针力显微镜中，我们通过在尖端和样品之间实施场效应晶体管的定制电路来消除对交流电压的需要，该电路充当二进制开关，”Xu 说。“当开关打开时，电路就像一根简单的电线，允许电荷在尖端和样品之间通过。根据其固有费米能级的相对差异，少量电荷会在尖端和样品之间自发迁移。当开关处于关闭时，电路不允许电荷通过，并充当电容器以重新吸收尖端和样品区域的电荷。”

Xu 表示，PF-KPFM 还专门在脉冲力模式下运行。他说，通过使用脉冲力模式，PF-KPFM 测量可以在非常小的尖端-样品距离处准确获得，其中电力很大，可以揭示小样品的异质性。

“下一个合乎逻辑的步骤是将 PF-KPFM 与峰值力红外 (PFIR)显微镜相结合，这是我们实验室发明的一种红外成像技术，因为这两种技术都使用脉冲力模式，”徐说。“由此产生的技术，名为 PFIR-KPFM，以 < 10 nm 纳米空间分辨率提供地形、机械、化学和电气信息。”

因此，研究人员表示，除了在单程 AFM 扫描中测量纳米材料的电位方面取得显着改进外，PF-KPFM 还可以与 (PFIR) 显微镜结合进行高通量相关测量。Angewandte Chemie International Edition即将出版的一篇文章“峰值力红外?开尔文探针力显微镜”中描述了这项后续研究。

“脉冲力 KPFM 是第一个真正实现 AFM 脉冲力模式用于纳米级表面电位表征的 KPFM 技术，也是第一个在同一扫描中与同时红外检测相结合的 KPFM 技术，”徐说。

研究人员表示，准确测量材料的纳米电学特性的重要性在学术界和工业界都具有深远的意义。由于半导体器件的尺寸越来越小，PF-KPFM 可能对科技公司特别有用，因为 PF-KPFM 的高空间分辨率揭示了其他 KPFM 技术太小的特征。同样，他们说，PFIR-KPFM 将有助于揭示实验室制造的太阳能电池组件的化学异质性、结构和电特性之间的相关性。

“最终，”徐说，“我们希望我们的发明能够为新材料的表征打开大门，并有助于为更高效的能源相关设备铺平道路。”

徐的研究小组开发了用于纳米级化学测量和成像的新方法和仪器，其空间分辨率小于 10 nm 。他们采用了徐发明的两种红外纳米级成像方法：峰值力散射型近场光学显微镜(PF-SNOM)和峰值力红外(PFIR)显微镜。这些技术使研究人员能够利用接近空间尺度下限的多模态光谱信息来研究以前难以接近的纳米尺度物体。

徐被任命为 2020 年斯隆研究员。这个由阿尔弗雷德·P·斯隆基金会资助的享有盛誉的奖项使徐成为“当今最有前途的科研人员”之一。此外，他还被任命为贝克曼青年研究员，并获得了阿诺德和梅布尔贝克曼基金会授予的一项享有盛誉的资助，以表彰“在化学和生命科学学术生涯的早期阶段最有前途的年轻教师”。

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