Wir verwenden Cookies, um Ihr Erlebnis zu verbessern.Indem Sie weiter auf dieser Website surfen, stimmen Sie unserer Verwendung von Cookies zu.Mehr Info.Die herausragenden Eigenschaften von 2D-Materialien für kritische Anwendungen in Halbleitern, Batterietechnologie, Photovoltaik und zahlreichen anderen Bereichen machen sie zu einem wichtigen aufstrebenden Forschungsgebiet.Zahlreiche nanoskalige und mikroskopische Techniken wurden eingesetzt, um 2D-Materialien zu charakterisieren, um ein klareres Verständnis der Natur ihrer Eigenschaften zu erreichen.NanoIR-Techniken erweitern diese Charakterisierung um die wesentliche Abbildung chemischer und optischer Eigenschaften im Nanomaßstab.Das nanoIR3-s-System bietet zwei komplementäre IR-Techniken im Nanomaßstab, AFM-IR photothermische IR-Bildgebung und -Spektroskopie im Nanomaßstab (einschließlich Tapping AFM-IR) und optische Nahfeld-Streuungs-Scanning-Mikroskopie (s-SNOM).Solche Techniken bieten ein bemerkenswertes Verständnis der chemischen und komplexen optischen Eigenschaften von 2D-Materialien im Nanobereich.Komplementäre Techniken der Rasterkraftmikroskopie (AFM) wie die Kartierung mechanischer und thermischer Eigenschaften liefern ebenfalls Informationen über die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften solcher Materialien.Diese Techniken ermöglichen die Kartierung chemischer und optischer Eigenschaften mit einer räumlichen Auflösung von 10 nm, was weit unter der Beugungsgrenze herkömmlicher IR-Spektroskopie liegt.In diesem Artikel wird die Verwendung des nanoIR3-s-Systems zur Charakterisierung einer Vielzahl von 2D-Strukturen und Materialien, darunter Graphen, Nanoantennen, Halbleiter und mehr, detailliert beschrieben.Das nanoIR3-s hat die Fähigkeit, Bilder im Nanomaßstab und IR-Spektren aufzunehmen, indem es zwei unterschiedliche Nahfeld-Spektroskopietechniken einsetzt: s-SNOM und photothermisches AFM-IR.Diese komplementären Techniken ermöglichen neben der mechanischen, elektrischen, thermischen und optischen Kartierung mit einer räumlichen Auflösung von nur wenigen Nanometern für Anwendungen harter und weicher Materie eine chemische Bewertung im Nanomaßstab.Nanoskalige IR-Spektroskopie kombiniert die präzise chemische Erkennung der Infrarotspektroskopie mit den nanoskaligen Kapazitäten von AFM, um die chemische Erkennung von Probenkomponenten mit einer chemischen räumlichen Auflösung von nur 10 nm mit Monoschichtempfindlichkeit zu ermöglichen und die Beugungsgrenze um mehr als das 100-fache zu überschreiten.AFM-IR-Absorptionsspektren sind präzise Messungen der Probenabsorption und beruhen nicht auf anderen komplexen optischen Elementen der Probe und der Spitze.Als solches lassen sich die Spektren außergewöhnlich gut mit denen herkömmlicher Massenübertragungs-IR vergleichen.Aufgrund ihrer erhöhten räumlichen Begrenzung können Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs) und Oberflächen-Phonon-Polaritonen (SPhPs) in 2D-Materialien neue Möglichkeiten für einen verbesserten Licht-Materie-Kontakt, Subwellenlängen-Metamaterialien, Superlinsen und zusätzliche innovative photonische Geräte schaffen.Ein flexibles optisches Bildgebungs- und Spektroskopiewerkzeug mit räumlicher Auflösung im Nanometerbereich ist für die In-situ-Charakterisierung solcher polaritonischer Anregungen in mehreren Anwendungen erforderlich.s-SNOM bietet eine hervorragende Möglichkeit, Schwingungs- und elektronische Resonanzen im realen Raum über eine nicht-invasive Nahfeld-Licht-Materie-Kollaboration selektiv zu motivieren und lokal zu identifizieren.Diese Technik wird durch die Abbildung der SPhPs von hexagonalem Bornitrid (hBN) gezeigt, wie in Abbildung 1 gezeigt. Entsprechende Informationen für eine umfassende Charakterisierung der polaritonischen Resonanzen werden durch optische Nahfeldaufnahmen von Amplitude und Phase präsentiert.Die Beobachtung einer Phasenverschiebung von über 90° von SPhPs auf hBN weist auf eine Kopplung von fester Lichtmaterie hin.Abbildung 1. (a) AFM-Höhenbild zeigt homogene hBN-Oberfläche mit unterschiedlichen Schichten auf einem Si-Substrat;(b) s-SNOM-Amplitude zeigt starke Interferenzstreifen aufgrund der Ausbreitung von SPhP entlang der Oberfläche auf hBN;(c) s-SNOM-Phase zeigt ein unterschiedliches Phasensignal mit Schichtdicke.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesDie SPPs von Graphen können zusätzlich mit dem nanoIR3-s analog zur Visualisierung der SPhPs in hBN untersucht werden.Die stehende Welle eines SPP auf einem Graphenkeil ist in Abbildung 2 zu sehen. Typischerweise beschränkt nur der Endradius der AFM-Sonde die räumliche Auflösung von s-SNOM, sodass die s-SNOM-Methode die Querschnitte von SPP aufzeichnen kann so niedrig wie fast 8 nm.Abbildung 2. (a) s-SNOM-Phasenbild von Oberflächenplasmon-Polariton auf Graphen;(b) Querschnitt der SPP-Stehwellenphase.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesDie charakteristischen elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Graphen hängen von der Beibehaltung der gesamten konjugierten Zusammensetzung der Schicht ab.Das nanoIR3-s kann den Wert von abgeblättertem Graphen bewerten, der durch verschiedene Methoden erreicht wird, siehe Abbildung 3. Verunreinigungen, die im AFM-Höhenbild nicht leicht erkennbar sind, sind im s-SNOM-Reflexionsbild erkennbar.Abweichungen im s-SNOM-Reflexionsbild ändern sich entsprechend der Anzahl der vorhandenen Graphenschichten und zeigen eine Nanokontamination auf der Probe an.Abbildung 3. (a) s-SNOM-Reflexionsbild, das Nanokontamination (Schmutz) zeigt, und (b) AFM-Höhenbild von abgeblättertem Graphen.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesNanoantennen besitzen ein breites Anwendungsspektrum, das von der Sensorik bis zur Energieumwandlung reicht.Für die Herstellung präziser und zuverlässiger Geräte ist die Fähigkeit, die Resonanzformationen dieser Antennen zu quantifizieren und abzustimmen, von entscheidender Bedeutung.Arrays von Nanoantennen sind üblich, da sie es ermöglichen, viele einzelne Antennen auf einer kleinen Fläche zu packen.Ein AFM-Topografiebild eines Antennenarrays mit gekoppelten Antennen und Einzelstabantennen ist in Abbildung 4a zu sehen.Der Kontaktpunkt zu den Antennen ist eine entscheidende Komponente, um eine ideale Energieübertragungseffizienz während der gesamten Produktion von Antennenarrays zu erreichen.Die s-SNOM-Bildgebung ermöglicht eine einfache Erkennung der Antennenresonanz-Hotspots und des idealen Kontaktpunkts.Das s-SNOM-Amplituden- und Phasenbild einer einzelnen Stabantenne, die in dem Array enthalten ist, ist in Abbildung 4b zu sehen.Die Dipolantennenresonanz kann bei einer Anregung von 11 um gesehen werden.Bei Dipolresonanz ist eine Phasenverschiebung von ~180° zu erkennen.Abbildung 4. (a) AFM-Höhenbild des zusammengesetzten Antennenarrays, (b) s-SNOM-Phase und (c) s-SNOM-Amplitudenbilder des Antennendipols.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesNeben der Fähigkeit, hochauflösende Bilder optischer Phänomene zu akkumulieren, bietet das nanoIR3-s die Fähigkeit, Oberflächeneigenschaften im Nanomaßstab spektral zu untersuchen.Abbildung 5 zeigt die AFM-IR-Spektren, die an einem einzelnen Stab und einer gekoppelten Antenne akkumuliert wurden, bei denen die Antennenresonanz merklich bei 910 cm-1 aufgelöst werden kann, in Übereinstimmung mit theoretischen Projektionen.Abbildung 5. AFM-IR-Spektrum, aufgenommen mit Einzelstab und gekoppelter Antenne;die Spitze bei 910 cm-1 entspricht der Antennenresonanz der Einstabantenne, während die Spitze bei 1100 cm-1 den Si-O-Modus zeigt, den beide Antennen teilen.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesDies ist das erste Mal, dass die Kombination komplementärer bildgebender Verfahren im Nanobereich, s-SNOM und AFM-IR, eingesetzt wurde, um die Rolle der Chiralität in den Anfängen des Circulardichroismus in 2D-Nanomaterialien zu untersuchen.Chirale Moleküle sind eine besondere Art von Molekülen, die ein nicht überlagerbares Spiegelbild besitzen.Die Spiegelbilder chiraler Moleküle sind typischerweise als linkshändig und rechtshändig bekannt, und aufgrund der Vektornatur des Lichts kann es auch mit zwei Arten von Händigkeit auftreten, links- und rechtszirkular polarisiert.Vollständig zweidimensionale (2D) Metamaterialien, auch als Metaoberflächen bekannt, die aus planar-chiralen plasmonischen Metamolekülen mit einer Dicke von wenigen Nanometern bestehen, haben chiralen Dichroismus in Transmission (CDT) gezeigt.Theoretische Berechnungen weisen darauf hin, dass dieser unerwartete Einfluss von endlichen strahlungslosen (ohmschen) Verlusten der Metaoberfläche abhängt.Bis heute wurde diese überraschende theoretische Erwartung aufgrund der Komplexität bei der Erfassung des nicht strahlenden Verlusts im Nanomaßstab experimentell nicht verifiziert.s-SNOM wird verwendet, um die Zuordnung optischer Energie abzubilden, wenn die Strukturen RCP- und LCP-IR-Strahlung ausgesetzt werden;Im Gegensatz dazu wurde AFM-IR dann verwendet, um die grundlegend unterschiedliche ohmsche Erwärmung zu identifizieren, die unter RCP- und LCP-Strahlung gezeigt wird.1Es wurde zum ersten Mal unwiderlegbar bewiesen, dass der Circulardichroismus, der in 2D-Metaoberflächen zu sehen ist, auf eine von der Händigkeit abhängige ohmsche Erwärmung zurückzuführen ist, die in Abbildung 6 dargestellt ist.Abbildung 6. Experimentell gemessene Auslenkungsamplituden des AFM-Cantilevers.Die Cantilever-Auslenkung ist direkt proportional zum Temperaturanstieg in der Probe während des Laserpulses;dies bestätigt, dass die Größe und räumliche Verteilung der ohmschen Erwärmung einer chiralen 2D-Metaoberfläche deutlich von der Händigkeit des Lichts abhängt1.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesDie AFM-IR-Methode funktioniert, indem sie die thermische Ausdehnung eines Materials identifiziert, die durch die Absorption von Infrarotlicht verursacht wird.Die Wärmeausdehnung eines Materials hängt von vielen Faktoren ab, wie der Dicke des Materials und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten.1D- und 2D-Materialien, wie einwandige Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und einschichtiges Graphen, haben zusätzlich zu einer Dicke von etwa 1–2 nm einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.Die Charakterisierung mit AFM-IR wird aufgrund der Beschaffenheit dieser 1D- und 2D-Proben problematisch.Eine Erhöhung der AFM-IR-Signalstärke um zwei Größenordnungen wird beobachtet, wenn eine dünne Schicht Polymermaterial unter die Graphen- und CNT-Proben gelegt wird.2,3 Da die einfallende IR-Strahlung von der dünnen Probe absorbiert wird, wird die erzeugte Wärme übertragen zu dem dünnen Polymer, das einen deutlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, wodurch es sich ausdehnt.Abbildung 7 zeigt das Finite-Elemente-Analysemodell, das verwendet wird, um die Auswirkungen zu replizieren, die die Polymerdicke auf die Temperaturänderungen und die Wärmeausdehnung hat.Abbildung 7. (a) Temperaturanstieg (ΔT) und Ausdehnung (ΔZ) als Funktion der Polymerdicke unter der Probe;Temperaturanstieg (b) ohne Polymer und (c) mit Polymer unter der Probe;Vertikale thermomechanische Ausdehnung (d) ohne Polymer und (e) mit Polymer unter der Probe.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesDas Modell wurde validiert, indem eine Reihe von CNTs untersucht wurden, die über einer 150 nm dicken Polystyrolschicht auf einem ZnSe-Prisma positioniert waren.Vor der CNT-Abscheidung wurde ein Bereich des Polymersubstrats entfernt, um sicherzustellen, dass es einen CNT-Bereich gab, der kein Polymer darunter aufwies.8 zeigt, dass das chemische IR-Bild, das bei 4000 cm –1 erzielt wurde, ein klares Signal von den CNT in dem Bereich zeigt, der darunter Polystyrol aufweist, während kein Signal erkennbar ist, wo das Polymersubstrat entfernt wurde.Es wurde darauf hingewiesen, dass das sich ändernde AFM-IR-Signal von verschiedenen CNTs auf den Unterschied zwischen metallischen und halbleitenden Röhren zurückzuführen ist.Abbildung 8. (a) AFM-Topographiebildgebung von CNTs, die auf einem Polystyrolsubstrat abgeschieden wurden;(b) Chemisches IR-Kartierungsbild bei 4000 cm –1 , das die Absorption durch CNTs zeigt;(c) Chemisches IR-Mapping-Bild von Monolayer-Graphen, aufgenommen bei 4000 cm-1.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesDie AFM-IR-Bildgebung von Graphen über einer 106 nm dicken PMMA-Schicht ist in Abbildung 8c dargestellt.Dieses Bild zeigt die Erweiterung dieser Methode auf einschichtige 2D-Materialien.Aufgrund der Verstärkung des AFM-IR-Signals durch eine dünne Polymerschicht wird die Signalstärke um zwei Größenordnungen verstärkt.Diese neue Methode ermöglicht die AFM-IR-Charakterisierung von 1 nm dicken 1D- und 2D-Materialien, was vorher nicht möglich war.In Zukunft kann diese erhebliche Signalsteigerung in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, wie z. B. ultradünne Biomaterialien und eine Reihe von 1D- und 2D-Materialien.Ein äußerst beliebtes und weit verbreitetes Polymer ist Polyethylen (PE) mit Funktionen in zahlreichen Branchen, wie z. B. 2D-Materialanwendungen.Anorganische Füllstoffe wie Graphit und Metallpartikel wurden hinzugefügt, um die thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften von PE zu verändern.Hexagonales Bornitrid (hBN) hat sich aufgrund seiner großen mechanischen Festigkeit, Isoliereigenschaften und Wärmeleitfähigkeit als Füllstoff bewährt.Forscher der Universität Sichuan beschrieben diesen Einfluss von hBN-Partikeln auf die Schmelzleistung von Polyethylen unter Verwendung von Lorentz-Kontaktresonanz (LCR) und nanothermischer Analyse (nanoTA).3Die Abbildungen 9a und b zeigen, dass die LCR-Bildgebung Bereiche mit hoher hBN-Konzentration auf der Oberfläche anschaulich darstellen kann.Danach wurde nanoTA eingesetzt, um die Erweichungstemperatur verschiedener Bereiche im Material zu messen;Wie in Abbildung 9 dargestellt, wurde für Regionen der PE-Probe in der Nähe von hBN-Aggregaten ein Anstieg der Übergangstemperatur von 4–8 °C beobachtet, wenn sie mit Regionen verglichen wurden, die kein hBN besaßen.Unter Verwendung der Bulk-Übergangstemperatur während der gesamten Grundabweichung der nanoTA-Werte wurde die Genauigkeit dieser Methode im Gegensatz zur herkömmlichen DSC-Analyse validiert.Diese Ergebnisse, kombiniert mit der DSC-Analyse, zeigen, dass sich die Mesophase des PE während der Kristallisation in der Nähe von h-BN-Partikeln entwickelt, was einen schwachen exothermen Peak erzeugt, der zuvor ungelöst war.In Abbildung 9 ist eine ebenfalls direkt an den hBN-Partikeln durchgeführte nanoTA-Messung dargestellt, für die bei Temperaturen bis 400 °C kein thermischer Übergang berechnet wurde.Abbildung 9. (a) LCR-AFM-Höhenbild;(b) Mechanisches AFM-Bild (unter Verwendung von LCR) der PE/BN-Verbundstoffe, das Bornitrid-Cluster in den Bereichen A, D und E zeigt;(c) Lokale thermische Analysedaten der zugewiesenen Positionen wurden durch Nano-TA erhalten, wobei die Schmelztemperaturen von PE und BN verglichen wurden;(d) DSC von den PE/BN-Kompositen (Aufheizrate von 2 °C min-1).Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesDie neueste Forschung hat sich aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seines Potenzials in der Optoelektronik auf Graphen konzentriert.Scanning Thermal Microscopy (SThM) charakterisiert die Wärmeleitfähigkeit von 2D-Materialien, da sie eine hohe Empfindlichkeit bei der Widerstandserkennung zwischen der Sonde und der Probe erzeugt.Diese erhöhten räumlichen Auflösungen beseitigen Mehrdeutigkeiten bei der Erkennung der Quelle der elektrischen Fähigkeiten einer Probe, was SThM zu einer vertrauenswürdigen Methode zur qualitativen Überwachung der Probentemperatur und zusätzlich der Wärmeleitfähigkeit macht.Forscher der Durham University und der Lancaster University verwendeten SThM, um die Wärmeleitfähigkeit von ein- und mehrschichtigen Graphenschichten zu untersuchen.4 Graphen wurde auf einem Si/SiO2-Substrat mit vorgemusterten Gräben abgeschieden, wobei sowohl Graphen über dem Graben aufgehängt als auch durch das abgebildete Substrat verstärkt wurde.Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der Anzahl verstärkter Graphenschichten zu einer offensichtlichen Verringerung des Wärmewiderstands führte.Eine wichtige Beobachtung war, dass die Wärmeleitfähigkeit von sowohl zweischichtigem als auch mehrschichtigem Graphen, das über dem Graben aufgehängt war, größer war als die der unterstützten Schicht, im Vergleich zu den Erwartungen, dass die Leitung vom Graphen zum Substrat mehr Wärmeableitung erzeugen würde.Da die mittlere freie Weglänge thermischer Phononen in Graphen im Vergleich zur Höhe des Grabens erheblich größer ist, wird die Hypothese aufgestellt, dass ballistische akustische Phononen von der SThM-Spitze die Hauptursache für die Wärmeübertragung sind, wobei sich 90 % in der Ballistik dem Graben nähern Regime.Eine noch über dem Graben schwebende Graphenausbuchtung zeigte vergleichbare Eigenschaften, wodurch experimentelle Unterschiede wie die SThM-Kontaktregion als Auslöser für ein solches Verhalten eliminiert wurden.Diese Messungen ergaben, dass dreischichtiges Graphen fast 68 % der Wärmeleitfähigkeit hatte als die Einzelschicht.Schließlich zeigt die thermische Kartierung von Grenzbereichen zwischen unterstützten Graphenschichten, dass der thermische Übergangsbereich eine Breite von 50–100 nm hat, was hypothetische Schätzungen für die mittlere freie Weglänge bestätigt.Abbildung 10. (a) SThM-Bild von unterstütztem Graphen, das unterschiedliche Dicken in der gesamten Probe zeigt;(b) gemessener thermischer Kontaktwiderstand als Funktion der Anzahl der Graphenschichten, der eine Verringerung des thermischen Widerstands zeigt, wenn die Anzahl der Schichten zunimmt.Bildnachweis: Bruker Nano SurfacesDas nanoIR3-s bietet eine hervorragende Charakterisierung von 2D-Materialeigenschaften mit komplementären photothermischen Tapping-AFM-IR- und Nahfeld-s-SNOM-Techniken.Die AFM-basierte Abbildung von Eigenschaften im Nanomaßstab bietet korrelative Mikroskopiekapazität für die Abbildung elektrischer, thermischer und mechanischer Eigenschaften.Diese Informationen wurden aus Materialien von Bruker Nano Surfaces bezogen, überprüft und angepasst.Weitere Informationen zu dieser Quelle finden Sie unter Bruker Nano Surfaces.Bitte verwenden Sie eines der folgenden Formate, um diesen Artikel in Ihrem Essay, Ihrer Arbeit oder Ihrem Bericht zu zitieren:Bruker Nanooberflächen.(2021, 14. Januar).Verwendung von IR-Spektroskopie im Nanomaßstab zur Charakterisierung von 2D-Materialien.AZoNano.Abgerufen am 26. August 2022 von https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5607.Bruker Nanooberflächen."Verwendung von IR-Spektroskopie im Nanomaßstab zur Charakterisierung von 2D-Materialien".AZoNano.26. August 2022.