描述二维材料纳米红外光谱和属性映射亚博网站下载

二维材料的特殊性质重要的应用在半导体、电池技术、光伏发电以及其他领亚博网站下载域呈现一个关键发展的研究领域。各种纳米显微镜方法被用来描述二维材料以获得更好的洞察他们的本质属性。亚博网站下载NanoIR方法扩展这个特征与关键纳米化学和光学性质的映射。

的nanoIR3-s系统提供了两个互补的纳米红外方法,AFM-IR photothermal-based纳米红外成像和光谱(包括利用AFM-IR)和scattering-scanning近场光学显微镜(s-SNOM)。这些方法提供了一个特殊的理解纳米化学和复杂的二维材料的光学性质。亚博网站下载互补的原子力显微镜(AFM)的方法,如机械和热性能映射热也提供信息,这些材料的机械和电气性能。亚博网站下载这些方法允许化学和光学性质的映射与10 nm的空间分辨率,这是远远低于传统的红外光谱的衍射极限。

在这篇文章中,nanoIR3-s系统描述的应用一系列的二维结构和材料,包括nanoantennae,石墨烯,半导体,更多的是解释说。亚博网站下载

补充纳米红外技术

nanoIR3-s能够获得纳米尺度的图像和红外光谱使用两种不同的近场光谱方法:s-SNOM和光热光谱分析AFM-IR。这些互补的方法使纳米化学分析,以及电、热、机械和光学映射空间分辨率到几个纳米硬和软物质的应用程序。

纳米红外光谱集的确切化学识别红外光谱学与AFM的纳米尺度的功能,使样品的化学检测组件在一个化学空间分辨率下降到10纳米单层敏感性,打破衍射极限,大于100 x。AFM-IR吸收光谱直接测量样品的吸收和不依赖于其他复杂样品的光学特性和小费。因此,光谱比较传统的批量传输红外非常好。

成像的等离子体和声子

由于空间限制,高表面等离子体极化声子(许可证)和表面声子极化声子(SPhPs)在二维材料可以为改进件轻松事交互,创建新的可能性亚波长超材料,超级眼镜,和其他创新的光子设备。亚博网站下载一个适应性强的光学成像与纳米空间分辨率和光谱工具所需的原位表征这些polaritonic励磁跨各种应用程序。s-SNOM提供了杰出的方法选择性地激发和局部检测振动和电子共振在现实空间通过一个非侵入性的近场件轻松事交互。

该方法证明了成像的SPhPs六角氮化硼(hBN)如图1所示。互补信息的详细描述polaritonic共振振幅和相位提供的近场光学图像。大于90°的观察相移的SPhPs hBN意味着件轻松事强耦合。

图1所示。(一)AFM图像显示高度均匀hBN表面在硅基片上用不同的层;(b) s-SNOM振幅显示强大的干涉条纹将沿着表面传播SPhP hBN;(c) s-SNOM阶段显示了不同阶段信号层厚度。

石墨烯也可以检查使用的许可证nanoIR3-s类似于hBN SPhPs的可视化。石墨烯上的驻波SPP楔如图2所示。通常,只有最后AFM探针半径限制s-SNOM的空间分辨率,从而允许s-SNOM方法测量SPP的横截面近8海里。

图2。(一)s-SNOM阶段的形象在石墨烯表面等离子体极化声子;(b)截面SPP驻波的阶段。

Nanocontamination的石墨烯

石墨烯独特的电气和机械性能依赖于维护整体的共轭结构表。nanoIR3-s可以评估剥落石墨烯通过不同的技术质量,如图3所示。污染,无法轻易识别s-SNOM反射的AFM图像高度可见的图像。此外,不同s-SNOM反射图像改变现有石墨烯层的数量,显示nanocontamination样本。

图3。(一)s-SNOM反射图像,显示nanocontamination(污垢)和(b)AFM高度剥落石墨烯的形象。

描述Nanoantenna共振

Nanoantennae有广泛的应用,不同感应能量转换。建设的精确和可靠的设备,测量和调优的能力这些天线的共振结构至关重要。nanoantennae数组是很常见的,因为他们使大量的单个天线包装在一个紧凑的区域。一个天线阵的AFM地形图像包括耦合天线和单杆天线如图4所示。

图4。(a) AFM图像高度的天线阵列组装,s-SNOM阶段,(b)和(c) s-SNOM振幅图像的天线偶极子。

接触点的天线是实现最优能量转移效率的一个重要因素在天线阵列的制造。s-SNOM成像使简单的天线共振检测热点和完美的接触点。s-SNOM振幅和相位图像数组内的一个酒吧天线包括如图4所示。偶极子天线共振可以观察到11µm激发。相变可以观察到~ 180°的偶极子共振。

除了可能收集高分辨率图像的光学现象,nanoIR3-s提供光谱探针纳米表面特征的能力。

图5举例说明了AFM-IR光谱收集单杆和耦合天线,天线共振可以清楚地解决在910厘米¹根据理论预测。

图5。单杆和耦合天线AFM-IR光谱收集;峰值为910厘米¹对应于一个拉杆天线的天线共振,而达到1100厘米¹都显示了Si-O模式共享天线。

偏振光在Metasurface手性的影响

这是第一次补充纳米成像技术的结合,s-SNOM, AFM-IR已经应用于研究手性的角色在圆二色性的起源在二维纳米材料。亚博网站下载手性分子是一种特定的分子有一个重叠的镜像。手性分子的镜像通常称为左手和右手,因为光的矢量性质,它也存在于两种形式的构型,左和右圆偏振。

完全二维(2 d)超材料,也被称为metasurfaces,由亚博网站下载planar-chiral电浆metamolecules几纳米的厚度,可以揭示手性二色性传播(CDT)。理论计算表明这种意想不到的效果依赖于有限的无辐射metasurface(电阻)的损失。到目前为止,这惊人的理论预测尚未被实验证明,由于难以测量纳米尺度上的无辐射损失。

s-SNOM用于地图时的光能量分布结构是受到RCP和连结控制协定红外辐射;另一方面,AFM-IR随后被用来检测的完全不同的电阻加热RCP和连结控制协定下辐射。¹

第一次,这是毫无疑问的圆二色性观察证明,2 d metasurfaces可以归因于handedness-dependent欧姆加热,如图6所示。

图6。实验测量了AFM悬臂偏转振幅。悬臂偏转成正比的温度增加样品在激光脉冲;这证实了大小和空间分布的欧姆加热手性2 d metasurface明显取决于光的用手习惯。¹

碳纳米管与nanoIR分析

AFM-IR方法操作通过检测材料的热膨胀引起的吸收红外照明。材料的热膨胀取决于许多因素,如材料的厚度和热膨胀系数。1 d和2 d的材料亚博网站下载,如单壁碳纳米管(CNT)和单层石墨烯,具有较低的热膨胀系数和厚度约1 - 2海里。描述与AFM-IR呈现困难由于1 d和2 d样品的性质。

增加两个数量级AFM-IR信号强度定位观察到下面一层薄薄的聚合物材料石墨烯和问样本。^2、3自事件薄样品吸收红外辐射被吸收,生成的热量转移到薄的聚合物有相当高的热膨胀系数,使其扩大。图7所示是有限元分析模型用于模拟聚合物厚度对温度变化的影响和热膨胀。

图7。(a)温度上升(ΔT)和扩张(ΔZ)作为聚合物厚度的函数下的样本;温度上升没有聚合物(b)和(c)下聚合物样品;垂直热机的扩张(d)没有聚合物,与聚合物在样品(e)。

模型验证了通过检查一系列碳纳米管放置在一个150纳米厚聚苯乙烯层奈米棱镜。问沉积之前,一个区域的聚合物基质被删除,以确保没有聚合物下面是问的地区。在图8中,它可以观察到,红外化学图像获得4000厘米¹显示清晰的信号从该地区问下聚苯乙烯,虽然没有信号是看到聚合物衬底被移除。有人建议,改变AFM-IR信号从不同的碳纳米管是由于金属和半导体管之间的区别。

AFM-IR成像的石墨烯在106 nm厚层PMMA如图8所示。这张图片揭示了这种技术的扩展单层二维材料。亚博网站下载由于AFM-IR信号的放大,一层薄薄的聚合物,信号强度增加了两个数量级。这项新技术使AFM-IR描述1 nm厚的1 d和2 d材料,这是不可能的。亚博网站下载前进,这个戏剧性的改善信号可能适用于各种应用程序,包括超薄生物制品和各种各样的1 d和2 d材料。亚博网站下载

图8。(一)AFM地形成像的碳纳米管沉积在聚苯乙烯基质;(b)红外化学映射图像4000厘米¹显示由碳纳米管吸收;(c)红外化学映射图像捕获的单层石墨烯在4000厘米¹。

调查的放热峰聚乙烯使用nanoTA和电感电容电阻测量

最广泛使用的聚合物聚乙烯(PE),与应用程序在多个行业,包括二维材料的应用。亚博网站下载无机填料如石墨和金属颗粒包含不同热,电,聚乙烯的力学性能。yabo214最近,六角氮化硼(hBN)表现出的潜力填料由于其机械强度高,绝缘性能和热导率。四川大学的研究人员为这个hBN粒子对聚乙烯的熔融行为的影响使用洛伦兹共振(LCR)和nano-thermal接触分析(nanoTA)。yabo214³

如图9所示a和b,电感电容电阻测量成像可以生动地展示表面hBN浓度高的区域。随后,nanoTA是用来测量材料的软化温度不同的地区;如图9所示,4 - 8°C的转变温度上升是PE样品的观察区域没有hBN hBN总量相比,附近地区。使用散装转变温度在nanoTA的标准偏差值,验证了该技术的准确性与传统相比DSC分析。

这些结果,结合DSC分析,证明meso-phase h-BN粒子附近的体育发展在结晶过程中,这带来了一个虚弱的放热峰,早些时候没有解决。yabo214图9所示nanoTA测量也进行了直接在hBN粒子,而没有测量热转变温度高达400°C。yabo214

图9。(一)LCR-AFM高度形象;(b)机械类的AFM图像(使用LCR) PE / BN复合材料,氮化硼集群在区域,D和E;(c)本地热分析数据的分配职位是通过nano-TA,比较PE和BN的熔化温度;(d) DSC PE / BN复合材料(升温速率2°C的分钟¹)。

分析石墨烯的热导率与SThM床单

最近的研究都集中在石墨烯由于其较高的热导率和光电的潜能。扫描热显微镜(SThM)描述二维材料的热导率,因为它收益率高灵敏度之间的电阻检测探针和样品。亚博网站下载这些高空间分辨率消除不确定性源的检测样品的电气功能,这使得SThM可靠技术监测样本温度以及热导率以定性的方式。

杜伦大学和兰开斯特大学的研究人员采用SThM学习单和多层石墨烯的热导率表。⁴石墨烯在Si / SiO沉积₂衬底与pre-patterned战壕,石墨烯上海沟和支持的衬底成像。发现增加支持导致了石墨烯层的数量明显减少热阻。主要观察是双层和多层石墨烯的热导率停职的海沟高于支持层,与预期,从石墨烯导电衬底,将产生更大的散热。

自热声子的平均自由程石墨烯相比要高得多的高度海沟,它是假设弹道的声学声子SThM提示是传热的主要来源,90%接近弹道政权的战壕。石墨烯突出,还悬浮在海沟显示类似的属性,包括实验差异像SThM接触面积等的原因行为。

这些测量得出结论,三层石墨烯有近68%的热导率比单独的层。最后,热映射之间的边境地区支持石墨烯层表明热过渡区宽度为50 - 100纳米,验证理论估计平均自由程。

图10。(一)SThM图像支持的石墨烯,显示不同的厚度在整个样本;(b)测量接触热阻的石墨烯层数的函数,显示减少热阻随着层数的增加。

结论

的nanoIR3-s提供特殊特性的二维材料特性与免费photothermal-based攻AFM-IR和近场s-SNOM方法。AFM-based纳米级属性映射为电机提供了相关显微功能,热,机械性能的映射。

引用

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