Een nieuwe benadering van nanomaterialenmicroscopie genaamd Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM), maakt metingen van de werkfunctie en oppervlaktepotentiaal van minder dan 10 nanometer mogelijk in een single-pass AFM-scan. De bevindingen zijn gepubliceerd in twee gerelateerde artikelen in: ACS Nano en Internationale editie van Angewandte Chemie .

Naarmate de technologie krimpt, de noodzaak om de eigenschappen van zeer kleine materialen - gemeten in nanometers (1 nanometer =1 miljardste van een meter) - te karakteriseren, wordt steeds belangrijker. Nanomaterialen met afmetingen van 1 en 20 nanometer zijn veelbelovend voor gebruik in elektronische apparaten van de volgende generatie, zonnepanelen, lasertechnologie, en chemische en biosensoren, om er een paar te noemen. voor schaal, de breedte van een mensenhaar is 75, 000 nanometer.

Om het oppervlaktepotentieel van nanomaterialen te begrijpen, de meest gebruikte nanowetenschapstool is de Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), dat is een op atoomkrachtmicroscopie (AFM) gebaseerde techniek die de werkfunctie en het oppervlaktepotentieel meet. Helaas, KPFM heeft zijn beperkingen vanwege het gebruik van wisselspanning om de AFM-sonde op te laden.

"Elke KPFM-techniek werkt volgens hetzelfde meetparadigma:wisselspanning wordt gebruikt om een ​​AFM-sonde volledig op te laden, waardoor een detecteerbare elektrostatische kracht wordt geproduceerd voor beeldacquisitie, " legt Xiaoji Xu uit, assistent-professor aan de afdeling scheikunde van de Lehigh University. "Het overladen van de sonde met ladingen dwingt een limiet op de ruimtelijke resolutie, aangezien de ladingen niet beperkt zijn tot de top van de AFM-sonde. In plaats daarvan, overtollige ladingen bezetten de hele cantilever en dragen bij aan het signaal."

Nutsvoorzieningen, Xu en zijn afgestudeerde student Devon S. Jakob hebben een geheel nieuw meetparadigma geïntroduceerd op basis van de afstemming op Fermi-niveaus. Terwijl traditionele KPFM-methoden beelden produceren met een ruimtelijke resolutie van 30 tot 100 nanometer, de nieuwe Xu Research Group-methode, genaamd Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM), maakt metingen van de werkfunctie en oppervlaktepotentiaal van minder dan 10 nanometer mogelijk in een single-pass AFM-scan. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in een artikel in ACS-nano: "Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopie."

"In Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopie, we hebben de noodzaak voor de wisselspanning verwijderd door een aangepast circuit van een veldeffecttransistor tussen de punt en het monster te implementeren die als een binaire schakelaar fungeert, " zegt Xu. "Als de schakelaar aan staat, het circuit werkt als een eenvoudige draad, waardoor ladingen tussen tip en monster kunnen passeren. Een kleine hoeveelheid ladingen migreert spontaan tussen tip en monster op basis van het relatieve verschil in hun intrinsieke Fermi-niveaus. Als de schakelaar uit staat, het circuit laat geen ladingen door, en fungeert als een condensator om de ladingen van de punt en het monstergebied opnieuw te absorberen."

De PF-KPFM werkt ook uitsluitend in de pulserende krachtmodus, volgens Xu. Door gebruik te maken van de pulserende krachtmodus, hij zegt, PF-KPFM-metingen kunnen nauwkeurig worden verkregen bij zeer kleine tip-monsterafstanden, waar de elektrische kracht groot is, waardoor kleine heterogeniteiten in de steekproef kunnen worden onthuld.

"De volgende logische stap was om PF-KPFM te combineren met Peak Force Infrared (PFIR) microscopie, een in ons laboratorium uitgevonden infraroodbeeldvormingstechniek, aangezien beide technieken de gepulseerde krachtmodus gebruiken, " zegt Xu. "De resulterende techniek, genaamd PFIR-KPFM, biedt topografische, mechanisch, chemisch, en elektrische informatie op <10 nm nanometer ruimtelijke resolutie."

Dus, naast het bereiken van significante verbeteringen in het meten van elektrisch potentieel in nanomaterialen in een single-pass AFM-scan, PF-KPFM kan worden gecombineerd met (PFIR) microscopie voor correlatieve metingen met hoge doorvoer, volgens de onderzoekers. Dit vervolgonderzoek wordt beschreven in een artikel, "Peak Force Infrarood? Kelvin Probe Force Microscopie, " aanstaande in Internationale editie van Angewandte Chemie .

"Pulsed force KPFM is de eerste KPFM-techniek die de pulsed force-modus van AFM echt implementeert voor de karakterisering van oppervlaktepotentiaal op nanoschaal, en de eerste KPFM-techniek die wordt gecombineerd met gelijktijdige infrarooddetectie in dezelfde scan, " zegt Xu.

Het belang van het nauwkeurig meten van de nano-elektrische eigenschappen van materialen is verreikend in zowel de academische wereld als de industrie, volgens de onderzoekers. Door de steeds kleinere omvang van halfgeleiderapparaten, PF-KPFM kan vooral nuttig zijn voor technologiebedrijven, omdat de hoge ruimtelijke resolutie van PF-KPFM kenmerken onthult die te klein zijn voor andere KPFM-technieken. evenzo, ze zeggen, PFIR-KPFM zal nuttig zijn bij het onthullen van de correlaties tussen chemische heterogeniteit, structuur, en elektrische eigenschappen van in het laboratorium gemaakte zonnecelcomponenten.

"Uiteindelijk, " zegt Xu, "We hopen dat onze uitvinding de deur zal openen voor de karakterisering van nieuwe materialen, en helpen de weg vrijmaken voor efficiëntere energiegerelateerde apparaten."

Xu's onderzoeksgroep ontwikkelt nieuwe methoden en instrumenten voor chemische meting en beeldvorming op nanoschaal met <10 nm ruimtelijke resolutie. Ze gebruiken twee infrarood-beeldvormingsmethoden op nanoschaal die zijn uitgevonden door Xu:peak force scattering-type near-field optische microscopie (PF-SNOM) en piekkracht infrarood (PFIR) microscopie. Deze technieken stellen onderzoekers in staat om voorheen ontoegankelijke objecten op nanoschaal te bestuderen met multimodale spectroscopische informatie dicht bij de ondergrens van ruimtelijke schaal.

Xu werd uitgeroepen tot Sloan Research Fellow 2020. Deze prestigieuze prijs, gefinancierd door de Alfred P. Sloan Foundation, plaatst Xu onder "de meest veelbelovende wetenschappelijke onderzoekers die vandaag werken." Aanvullend, werd benoemd tot Beckman Young Investigator, het verdienen van een prestigieuze beurs toegekend door de Arnold en Mabel Beckman Foundation voor "de meest veelbelovende jonge faculteitsleden in de vroege stadia van hun academische loopbaan in de chemische en life sciences."