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AFM vol. PIC 水分子層級(jí)解像度掃描關(guān)鍵技術(shù)

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放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2021-06-14  來(lái)源:儀器網(wǎng)  作者:Mr liao  瀏覽次數(shù):36
核心提示:如果你已經(jīng)看過(guò)我上一篇介紹低電流STM成像的短文[i],那么那些HOPG上鈷和鎳八乙基卟啉(CoOEP 和NiOEP)自組裝二維晶格子的高分辨STM圖像一定會(huì)令你印象深刻。Roger也是一樣,在看到那些圖片之后,他向我建議可以嘗試使用Cyp

如果你已經(jīng)看過(guò)我上一篇介紹低電流STM成像的短文[i],那么那些HOPG上鈷和鎳八乙基卟啉(CoOEP 和NiOEP)自組裝二維晶格子的高分辨STM圖像一定會(huì)令你印象深刻。Roger也是一樣,在看到那些圖片之后,他向我建議可以嘗試使用Cypher AFM的輕敲模式(調(diào)幅AC模式)來(lái)代替STM觀察CoOEP的?晶格,因?yàn)槲覀冎繡ypher AFM在空氣中的成像質(zhì)量相當(dāng)穩(wěn)定。

當(dāng)我把這個(gè)想法告訴Kerry Hipps教授時(shí),他第一反應(yīng)是“這不可能!”。我接著跟他說(shuō):?“我非常確定這個(gè)是可行的?!?好吧,我承認(rèn)我的倔強(qiáng)和執(zhí)著,所以無(wú)論如何,我都要嘗試一下這個(gè)“瘋狂”的想法。我選擇了一個(gè)尖銳,敏捷,硬度中等,懸臂為硅材料的鍍金探針(FS-1500AuD探針)。 它的針尖半徑為Rtip?= 10± 2 nm,空氣中的共振頻率為fair≈1.5MHz,彈性系數(shù)為k≈6N / m。您也可以在我們的探針庫(kù)找到它.當(dāng)我將針尖接近樣品表面時(shí),樣品表面的苯基辛烷薄層會(huì)立即吸附在探針懸臂上(見圖1)。在這樣一種氣相-液相混合振蕩介質(zhì)中,針尖的共振頻率會(huì)立即降到0.66 MHz。這種情況下的溶液需要大約10分鐘之后才達(dá)到平衡,而在此之后,即使探針在表面移動(dòng)也不會(huì)再次影響到溶液的穩(wěn)定性。


圖1. 苯基辛烷/ HOPG界面處干涉條紋的時(shí)間序列圖像。這些圖像是通過(guò)Cypher ES頂視光學(xué)系統(tǒng)捕獲的。當(dāng)溶液吸附到AFM懸臂上時(shí),苯基辛烷彎月面起到衍射器的作用而產(chǎn)生出干涉條紋。

由于BlueDrive出色的光熱激發(fā)穩(wěn)定性,在平衡溶液中調(diào)諧懸臂后,我能夠?qū)⒆杂沈?qū)動(dòng)振幅和設(shè)定點(diǎn)分別穩(wěn)定在~1.44 nm(90 mV)和~0.34 nm(21 mV)[iii] 。瞧瞧圖2中的圖像,CoOEP晶格漸漸在視野中顯現(xiàn)出來(lái),這里觀察到的的~1.4 nm的晶格的分子間距和預(yù)期的理論值一摸一樣!我向 Hipps教授展示了這組圖片,他不得不驚嘆地說(shuō)一句 “Wow!”

圖2. 低振幅輕敲模式下CoOEP的分子晶格分辨率圖像。 (A)掃描邊長(zhǎng)為100 nm。 (B)沿(A)中的白線的截面,從中可以清楚的觀察到CoOEP分子有規(guī)則間隔。 (C)掃描邊長(zhǎng)為100nm 的3D圖像。

將圖2繼續(xù)放大后(見圖3),我確信自己可以在一部分相位圖中看到卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)。您可能會(huì)注意到的是,相比上一篇短文中的STM圖像,這里的測(cè)量結(jié)果似乎對(duì)樣品表面的污染更加敏感。我們可以看到樣品表面上有一些無(wú)定形的團(tuán)聚物,這些污染物會(huì)和掃描過(guò)程中的針尖相互作用,使掃描的圖像發(fā)生了一些變化。這意味著在AFM測(cè)量之前,您務(wù)必對(duì)樣品表面,探針和探針支架進(jìn)行全方位的清潔。

圖3.在輕敲模式下CoOEP晶格的AFM放大圖像。 (A)掃描邊長(zhǎng)為20納米的形貌圖。 (B)掃描邊長(zhǎng)為20納米的相位圖。注意卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)在圖像的上部清晰可見。


這些數(shù)據(jù)讓我想起了紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Rob Atkin教授,諾丁漢大學(xué)的Peter Beton教授和南京大學(xué)的王欣然教授曾經(jīng)發(fā)表的一些關(guān)于使用Cypher 在大氣環(huán)境下進(jìn)行的AFM的研究 [iv-vi]。這里我來(lái)具體介紹一下這些研究的成果。第一項(xiàng)研究[iv]闡明了在恒電位控制偏壓下石墨(HOPG)表面的離子液體(EMIm + TFSI-)的納米結(jié)構(gòu)(見圖4A)。此外,施加的偏壓在開路電位附近有規(guī)律地變化,同時(shí)分子Stern層作為偏壓的函數(shù)(以及離子組分的函數(shù),例如Li +和Cl-)進(jìn)行了重新整合。第二項(xiàng)研究[v]主要集中在觀察吸附在六方氮化硼(hBN)和其他樣品表面上的5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)的超分子結(jié)構(gòu),及分析該吸附現(xiàn)象對(duì)TCPP分子的光電子特性的影響。圖4B顯示了hBN上TCPP的正方晶格結(jié)構(gòu)。第三項(xiàng)研究[vi]探討了HOPG和hBN上高流動(dòng)性的二辛基苯并噻吩并苯并噻吩(C8-BTBT)的少層二維分子晶體的范德瓦爾外延結(jié)構(gòu),這種材料可用于實(shí)現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)效晶體管。圖4C顯示了在hBN上生長(zhǎng)的C8-BTBT晶格的高分辨率形貌。
圖4. 2D分子晶格的AFM成像。 (A)吸附在HOPG基片上的純EMIm + TFSI-Stern層的相位圖; 掃描邊長(zhǎng)為30nm,在塊體EMIm + TFSI-離子液體中成像(參見參考文獻(xiàn)[iv])。 (B)組裝在hBN基片上的TCPP的正方晶格的形貌圖像; 掃描邊長(zhǎng)為50nm,在空氣中成像(參見參考文獻(xiàn)[v])。 (C)在hBN基片上生長(zhǎng)的C8-BTBT晶格的形貌圖像; 掃描邊長(zhǎng)為10nm,在空氣中成像(參見參考文獻(xiàn)[vi])。

References

[i] April Current Amplifiers Bring May Ultra-Low-Current STM

[ii] Learn more about Cypher here: (a) Learn more about blueDrive at and at

(b) A. Labuda, K. Kobayashi,

Y. Miyahara, and P. Grütter, Retrofitting an atomic force microscope with

photothermal excitation for a clean cantilever response in low Q

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Xu & X. Wang, Two-dimensional quasi-freestanding molecular crystals for

high-performance organic field-effect transistors, Nature Communications,

2014, 5:5162, 1–7. 轉(zhuǎn)載文章前請(qǐng)與牛津儀器聯(lián)系,未獲許可謝絕轉(zhuǎn)載,謝謝。

 
關(guān)鍵詞: 圖像 晶格 掃描 表面 分子
 
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