结合盘式光学谐振器与PTIR技术,AFM实现纳米级精确测量

  大多数测量仪器都受制于测量精度和测量速度之间的权衡,因为测量越精确,所需的时间就越长。可是,纳米尺度上出现的许多现象既快又小,因此,针对它们的测量系统必须能够在时间和空间上捕捉到它们的精确细节。

上图为与光学谐振器集成的纳米级原子力显微镜(AFM)探针的彩色电子显微照片,这种盘式光学谐振器扩展了AFM探针的功能,用作光学领域的“回音壁”,允许特定频率的光共振。

  为了应对这一挑战,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员重新设计了原子力显微镜(AFM)核心的探测系统。原子力显微镜是纳米世界的首要工具,它使用小探针或尖端来绘制亚微观丘陵和山谷,这些丘陵和山谷在纳米尺度上定义了材料表面及其他属性。原子力显微镜已经彻底改变了人们对纳米结构的理解,但科学家们仍不满足,现在又热衷于研究纳米级现象,例如蛋白质折叠或热扩散,这种现象发生得太快,产生的变化太小,现有的显微镜无法准确测量。

  NIST的研究人员制造了一种非常轻的AFM探针,并将其与纳米级设备相结合,将探针的微小偏转转换为波导内光信号的巨大变化,从而开辟了新天地:他们的AFM系统可以高精度地测量结构的快速变化。

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上图为新制造的原子力显微镜(AFM)探针与盘形光学谐振器集成的示意图。再结合光热诱导共振(PTIR)技术,探针就能够高精度地测量材料中微小的快速变化。光热诱导共振(PTIR)技术的原理是使用红外光检查材料的成分。

  这一成就将原子力显微镜带入了一个新的领域,使该仪器能够测量纳米级的时变过程,即百亿分之一秒内发生的变化。NIST的科学家Andrea Centrone说:“这确实是一次革命性的转型进步。”

  Centrone,Vladimir Aksyuk及其同事在实验中采用了使用光热诱导共振(PTIR)的新原子力显微镜功能,这种功能结合了原子力显微镜的敏锐度和红外光确定材料成分的能力。

  通过新的AFM-PTIR系统,科学家们高精度地测量了单个微晶在光脉冲加热下的快速但微小的膨胀。研究团队检测的微晶属于金属有机框架(MOF)材料。这些材料包含纳米大小的孔隙,相当于微型海绵,可以储存气体并用作药物输送容器等用途。

  准确了解金属有机框架(MOF)传导热量的方式对设计这些特殊应用材料至关重要。然而,大多数MOF是微晶,它们对于传统仪器来说太小,无法测量它们的导热性。但是当该团队使用了新的AFM-PTIR系统后,就成功记录了MOF晶体在被光脉冲加热导致热膨胀后冷却恢复到原始尺寸所需的时间。然后研究人员利用这些信息确定了单个MOF微晶的热导率,这是以前从未实现过的壮举。

  Aksyuk及其同事设计的原子力显微镜(AFM)系统具有两个关键要素。首先,研究人员缩小了原子力显微镜的探针,AFM的探针是一个像弹簧一样的小悬臂,当样品对其施加力时会偏转和振动。NIST纳米科学与技术中心(CNST)的纳米uedbet开户(NanoFab)制造的新探针重量仅为万亿分之一克。这种极微小的质量使得探针能够更快地响应微小的力或位移,例如被检测的金属有机框架(MOF)的热膨胀所引起的力或位移。

  研究人员将悬臂与微型盘状谐振器集成在一起,该谐振器的作用就像光学领域的回音壁一样,回音壁允许特定频率的声波在圆顶周围自由传播,而该谐振器则允许特定频率的光在圆盘周围循环。

  原子力显微镜(AFM)悬臂和圆盘相距仅150纳米。这个距离小到悬臂的微小运动就足以改变圆盘上的共振频率,其结果就是将AFM探针的微小机械运动转换成光信号上的巨大变化。尽管之前已经有科学家们成功地将光学腔与其他测量工具结合在一起,但该团队设计的系统是第一个将这种光学装置集成到AFM中的系统。

  Centrone,Aksyuk和几位同事共同撰写的研究论文已经发表于《纳米快报》(Nano Letters)上。

  Aksyuk和他的合作者们在纳米科学与技术中心煞费苦心地使用一系列纳米制造工具设计、制造并测试了这个系统。这套新的AFM-PTIR系统可以记录的位移小到百亿分之一秒(0.1纳秒)内发生的万亿分之一米(1皮米)的位移。该团队现在计划提高PTIR技术的速度,并使用探针在水中进行测量,因为这种环境更适合检测生物样本。