En ny metod för nanomaterialmikroskopi som kallas Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM), möjliggör mindre än 10 nanometer mätningar av arbetsfunktion och ytpotential i en enkelpassage AFM-skanning. Resultaten har publicerats i två relaterade artiklar i ACS Nano och Angewandte Chemie International Edition .

När tekniken krymper, behovet av att karakterisera egenskaperna hos mycket små material – mätt i nanometer (1 nanometer =1 miljarddels meter) – har blivit allt viktigare. Nanomaterial som mäter från 1 och 20 nanometer visar lovande för användning i nästa generations elektroniska enheter, solceller, laserteknik, och kemiska och biosensorer, för att nämna några. För skala, bredden på ett människohår är 75, 000 nanometer.

För att förstå ytpotentialen hos nanomaterial, det vanligaste nanovetenskapliga verktyget är Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), som är en atomkraftsmikroskopi (AFM) baserad teknik som mäter arbetsfunktion och ytpotential. Tyvärr, KPFM har sina begränsningar på grund av dess användning av AC-spänning för att ladda AFM-sonden.

"Varje KPFM-teknik arbetar på samma mätparadigm:AC-spänning används för att helt ladda en AFM-sond, sålunda producerar en detekterbar elektrostatisk kraft för bildinsamling, " förklarar Xiaoji Xu, biträdande professor vid Lehigh Universitys avdelning för kemi. "Att överbelasta sonden med laddningar tvingar fram en gräns för den rumsliga upplösningen, eftersom avgifterna inte är begränsade till toppen av AFM-sonden. Istället, överskottsladdningar upptar hela konsolen och bidrar till signalen."

Nu, Xu och hans doktorand Devon S. Jakob har introducerat ett helt nytt mätparadigm baserat på anpassningen på Fermi-nivåer. Medan traditionella KPFM-metoder producerar bilder med en rumslig upplösning på 30 till 100 nanometer, den nya Xu Research Group-metoden, kallas Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM), möjliggör mindre än 10 nanometer mätningar av arbetsfunktion och ytpotential i en enkelpassage AFM-skanning. Deras resultat har publicerats i en artikel i ACS Nano: "Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy."

"I Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy, vi tog bort behovet av växelspänningen genom att implementera en anpassad krets av en fälteffekttransistor mellan spetsen och provet som fungerar som en binär omkopplare, " säger Xu. "När strömbrytaren är på, kretsen fungerar som en enkel tråd, låter laddningar passera mellan spets och prov. En liten mängd laddningar migrerar spontant mellan spets och prov baserat på den relativa skillnaden i deras inneboende Fermi-nivåer. När strömbrytaren är avstängd, kretsen tillåter inte laddningar att passera, och fungerar som en kondensator för att återuppta laddningarna från spetsen och provområdet."

PF-KPFM arbetar också uteslutande i pulserande kraftläge, enligt Xu. Genom att använda pulskraftsläget, han säger, PF-KPFM-mätningar kan erhållas exakt på mycket små spetsprovavstånd, där den elektriska kraften är stor, gör det möjligt att avslöja heterogeniteter i små urval.

"Nästa logiska steg var att kombinera PF-KPFM med Peak Force Infrared (PFIR) mikroskopi, en infraröd avbildningsteknik som uppfanns i vårt labb, eftersom båda teknikerna använder pulserande kraftläge, " säger Xu. "Den resulterande tekniken, heter PFIR-KPFM, ger topografiska, mekanisk, kemisk, och elinformation på <10 nm nanometer rumslig upplösning."

Så, förutom att uppnå betydande förbättringar i att mäta elektrisk potential i nanomaterial i en enkelpassage AFM-skanning, PF-KPFM kan kombineras med (PFIR) mikroskopi för korrelativa mätningar med hög genomströmning, enligt forskarna. Denna uppföljningsstudie beskrivs i en artikel, "Peak Force Infrared? Kelvin Probe Force Microscopy, "kommer in Angewandte Chemie International Edition .

"Pulsed force KPFM är den första KPFM-tekniken för att verkligen implementera AFMs pulsade kraftläge för nanoskala ytpotentialkarakterisering, och den första KPFM-tekniken som kombineras med samtidig infraröd detektering i samma skanning, säger Xu.

Vikten av att noggrant mäta materialens nanoelektriska egenskaper är långtgående i både akademin och industrin, enligt forskarna. På grund av den allt mindre storleken på halvledarenheter, PF-KPFM kan vara särskilt användbart för teknikföretag, eftersom den höga rumsliga upplösningen av PF-KPFM avslöjar funktioner som är för små för andra KPFM-tekniker. Liknande, de säger, PFIR-KPFM kommer att vara fördelaktigt för att avslöja sambanden mellan kemisk heterogenitet, strukturera, och elektriska egenskaper hos labbtillverkade solcellskomponenter.

"I sista hand, säger Xu, "Vi hoppas att vår uppfinning kommer att öppna dörren för karaktärisering av nya material, och hjälpa till att bana väg för mer effektiva energirelaterade enheter."

Xus forskargrupp utvecklar nya metoder och instrument för kemisk mätning och avbildning i nanoskala med <10 nm rumslig upplösning. De använder två infraröda nanoskala avbildningsmetoder som uppfanns av Xu:peak force scattering-typ near-field optical microscopy (PF-SNOM) och peak force infrared (PFIR) mikroskopi. Dessa tekniker ger forskare möjlighet att studera tidigare otillgängliga objekt i nanoskala med multimodal spektroskopisk information nära den nedre gränsen för rumslig skala.

Xu utsågs till Sloan Research Fellow 2020. Detta prestigefyllda pris, finansierat av Alfred P. Sloan Foundation, placerar Xu bland "de mest lovande vetenskapliga forskarna som arbetar idag." Dessutom, utsågs till Beckman Young Investigator, tjänar ett prestigefyllt stipendium tilldelat av Arnold och Mabel Beckman Foundation för "de mest lovande unga fakultetsmedlemmarna i de tidiga stadierna av deras akademiska karriärer inom kemi och biovetenskap."