在近场光学显微镜探测器上进行散射式扫描

Phys · 科学 · 07月14日
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Long Ju助理教授(中心)和他的同事为麻省理工学院的用户制作了一个新的定制版本的实验室工具,称为近场红外纳米镜和光谱学。它和更早的版本(也在Ju的实验室)是该研究所的第一个这样的工具。在这里,研究生杨马修 、朱教授和陆正光博士站在新工具旁边。图片来源: Long Ju

麻省理工学院的一位物理学家已经建立了一种新的仪器,使麻省理工学院的研究人员对各种学科都感兴趣,因为它可以快速而相对便宜地确定纳米材料的各种重要特性。它不仅能够确定材料的内部特性,例如材料的电导率或导电性如何在非常短的距离内变化,还能可视化单个分子,如蛋白质。

"现代材料研究极大地受益于先进的实验工具, "物理系助理教授龙珠(Long Ju ,音译)说。龙珠是一种新兴仪器的专家,该仪器将纳米镜-在纳米尺度上看到东西的能力-与光谱学结合起来,光谱学通过探索材料与光的相互作用来探测材料。

这种工具被称为近场红外纳米显微镜和光谱仪(也被称为散射式扫描近场光学显微镜,简称S - SNOM),可以商业化使用。然而, Ju说: "对于新用户来说,这相当具有挑战性,这限制了该技术的应用。 "

因此, Ju集团建立了自己的版本的工具-麻省理工学院的第一个S - Snom -并在5月完成了第二个更高级的版本,并具有额外的功能。现在,这两种工具都可供MIT社区使用, Ju集团正在为MIT用户提供帮助,并开发新的功能。 Ju鼓励麻省理工学院的同事与他联系,了解潜在的应用程序或问题。

"这是令人兴奋的,因为它是一个平台,原则上可以容纳许多不同的材料系统,并从每个系统中提取新的信息, " Ju说,他也是麻省理工学院材料研究实验室的附属机构。 "它也是世界上一些最优秀的头脑-麻省理工学院的研究人员-构思超出标准S - Snom所能做的事情的平台。 "

这种新工具是基于原子力显微镜(AFM),在这种显微镜中,一个半径只有20纳米(十亿分之一米)的非常锋利的金属尖端被扫描过材料的表面。 AFM创建了一张分辨率如此之高的表面物理特征或地形的地图,它可以识别高度或深度低于纳米的"山脉"或"山谷" 。

用于在纳米尺度上表征材料的新工具的特写示意图。红外光(红色)聚焦于金属点上。散射回来的光可以根据各种特性进行分析。图片来源:龙珠

增加光

Ju正在为这个等式添加光。将红外激光聚焦于AFM尖端,将该尖端变成天线, "就像电视上用来接收信号的天线一样, "他说。反过来,这又大大增强了光与尖端下方物质之间的相互作用。从这些相互作用中收集到的背散射光可以被分析,以揭示更多关于表面的信息,比传统AFM可能得到的信息要多得多。

结果: Ju说: "与传统红外测量相比,您可以获得具有三个数量级空间分辨率的样品图像。 "在《自然》杂志上报道的早期工作中,他和同事发布了AFM和新工具拍摄的石墨烯图像。两者有共同之处,但近场图像中布满了AFM图像中看不到的明亮线。它们是域墙,或材料的两个不同部分之间的界面。这些界面是理解材料的结构和属性的关键。

透射电子显微镜(TEM)可以捕捉到类似细节的图像,但TEM有一些拖拉。例如,它必须在超高真空中操作,样品必须非常薄,才能悬浮在薄膜上。 Ju说: "前者限制了实验吞吐量,而后者与大多数材料不兼容。 "

相比之下,近场纳米显微镜"可以在空气中操作,不需要悬浮样品,你可以在大多数固体基板上工作, " Ju说。

石墨烯表面左侧的图像是使用原子力显微镜拍摄的。右侧更详细的图像是通过一种称为近场红外纳米镜和光谱仪的新实验室工具向安装中添加红外光拍摄的。龙菊助理教授为麻省理工学院定制了该工具的版本。资料来源:龙菊

许多应用程序

Ju指出,近场工具不仅可以提供高分辨率的高度图像;分析机器尖端的背散射光也可以提供关于材料内部特性的重要信息。例如,它可以区分金属和绝缘体。它还可以区分具有相同化学成分但不同内部结构的材料(比如钻石和铅笔芯)。

在他描述为"特别酷"的一个例子中, Ju说,随着温度的变化,这种仪器甚至可以用来观察材料从绝缘体过渡到超导体。它还能够在纳米尺度上监测化学反应。

Ju还指出,新工具可以以不同的方式操作,用于不同的目的。例如,他说,工具的尖端可以被扫描过表面,同时受到一定波长的光的照射,或者尖端可以停在某个区域,用不同波长的光进行探测。不同波长的光与不同材料的相互作用不同,提供了关于特定材料的组成或其他特征的更多信息。

朱于2019年来到麻省理工学院,他非常喜欢与麻省理工学院的其他研究人员会面,他们可能已经申请了他的机器。 "与来自不同研究领域的人合作是令人兴奋的。你可以一起工作,在前沿产生新的想法。 "

麻萨诸塞州理工学院

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