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 außergewöhnlichen Eigenschaften von 2D-Materialien für wichtige Anwendungen in Halbleitern, Batterietechnologie, Photovoltaik und mehreren anderen Bereichen machen sie zu einem sich entwickelnden Schlüsselforschungsgebiet.Verschiedene nanoskalige und mikroskopische Methoden wurden verwendet, um 2D-Materialien zu charakterisieren, um bessere Einblicke in die Natur ihrer Eigenschaften zu gewinnen.NanoIR-Methoden erweitern diese Charakterisierung um die entscheidende Abbildung chemischer und optischer Eigenschaften im Nanomaßstab.Das nanoIR3-s-System bietet zwei komplementäre IR-Methoden im Nanomaßstab, AFM-IR photothermische IR-Bildgebung und -Spektroskopie im Nanomaßstab (einschließlich Tapping AFM-IR) und optische Nahfeldmikroskopie mit Streuung und Abtastung (s-SNOM).Diese Methoden bieten ein außergewöhnliches Verständnis der chemischen und komplexen optischen Eigenschaften von 2D-Materialien im Nanobereich.Komplementäre Methoden der Rasterkraftmikroskopie (AFM) wie das Mapping mechanischer und thermischer Eigenschaften bieten ebenfalls Informationen über die thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieser Materialien.Diese Methoden ermöglichen die Kartierung chemischer und optischer Eigenschaften mit einer räumlichen Auflösung von 10 nm, was weit unter der Beugungsgrenze der herkömmlichen IR-Spektroskopie liegt.In diesem Artikel wird die Anwendung des nanoIR3-s-Systems zur Charakterisierung einer Reihe von 2D-Strukturen und Materialien, darunter Nanoantennen, Graphen, Halbleiter und mehr, erläutert.Das nanoIR3-s ist in der Lage, nanoskalige Bilder und IR-Spektren mit zwei verschiedenen Nahfeld-Spektroskopiemethoden zu erfassen: s-SNOM und photothermisches AFM-IR.Diese komplementären Methoden ermöglichen chemische Analysen im Nanomaßstab sowie elektrische, thermische, mechanische und optische Kartierungen mit einer räumlichen Auflösung bis zu wenigen Nanometern für Anwendungen in harter und weicher Materie.Nanoskalige IR-Spektroskopie integriert die exakte chemische Identifizierung der Infrarotspektroskopie mit den nanoskaligen Fähigkeiten von AFM, um die chemische Detektion von Probenkomponenten mit einer chemischen räumlichen Auflösung von bis zu 10 nm mit Monoschichtempfindlichkeit zu ermöglichen und die Beugungsgrenze um mehr als das 100-fache zu überschreiten.AFM-IR-Absorptionsspektren sind direkte Messungen der Probenabsorption und hängen nicht von anderen komplizierten optischen Eigenschaften der Probe und der Spitze ab.Daher lassen sich die Spektren sehr gut mit denen herkömmlicher Massenübertragungs-IR vergleichen.Aufgrund ihrer hohen räumlichen Begrenzung können Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs) und Oberflächen-Phonon-Polaritonen (SPhPs) in 2D-Materialien neue Möglichkeiten für eine verbesserte Licht-Materie-Wechselwirkung, Subwellenlängen-Metamaterialien, Superlinsen und andere innovative photonische Geräte schaffen.Ein anpassungsfähiges optisches Bildgebungs- und Spektroskopiewerkzeug mit räumlicher Auflösung im Nanometerbereich ist für die In-situ-Charakterisierung dieser polaritonischen Anregungen für verschiedene Anwendungen erforderlich.s-SNOM bietet ein außergewöhnliches Mittel zur selektiven Anregung und lokalen Erfassung von Schwingungs- und elektronischen Resonanzen im realen Raum durch eine nicht-invasive Licht-Materie-Wechselwirkung im Nahfeld.Diese Methode wird durch die Abbildung der SPhPs von hexagonalem Bornitrid (hBN) demonstriert, wie in Abbildung 1 dargestellt. Ergänzende Informationen für eine detaillierte Charakterisierung der polaritonischen Resonanzen bieten optische Nahfeldaufnahmen von Amplitude und Phase.Die Beobachtung einer Phasenverschiebung von mehr als 90° von SPhPs auf hBN weist auf eine starke Licht-Materie-Kopplung 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.Analog zur Visualisierung der SPhPs in hBN können auch die SPPs von Graphen mit dem nanoIR3-s untersucht werden.Die stehende Welle eines SPP auf einem Graphenkeil ist in Abbildung 2 dargestellt. Normalerweise begrenzt nur der Endradius der AFM-Sonde die räumliche Auflösung von s-SNOM, wodurch die s-SNOM-Methode die Querschnitte von SPP nach unten messen kann bis fast 8nm.Abbildung 2. (a) s-SNOM-Phasenbild von Oberflächenplasmon-Polariton auf Graphen;(b) Querschnitt der SPP-Stehwellenphase.Die einzigartigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Graphen hängen davon ab, dass die konjugierte Gesamtstruktur der Folie erhalten bleibt.Das nanoIR3-s kann einfach die Qualität von abgeblättertem Graphen bewerten, das durch verschiedene Techniken erhalten wurde, wie in Abbildung 3 dargestellt. Verunreinigungen, die im AFM-Höhenbild nicht leicht identifiziert werden können, sind im s-SNOM-Reflexionsbild sichtbar.Darüber hinaus ändert sich der Unterschied im s-SNOM-Reflexionsbild mit der Anzahl der vorhandenen Graphenschichten, was eine Nanokontamination auf der Probe zeigt.Abbildung 3. (a) s-SNOM-Reflexionsbild, das Nanokontamination (Schmutz) zeigt, und (b) AFM-Höhenbild von abgeblättertem Graphen.Nanoantennen haben ein breites Anwendungsspektrum, das von der Sensorik bis zur Energieumwandlung reicht.Für den Bau exakter und zuverlässiger Geräte ist die Möglichkeit, die Resonanzstrukturen dieser Antennen zu messen und abzustimmen, von entscheidender Bedeutung.Arrays von Nanoantennen sind üblich, da sie es ermöglichen, eine große Anzahl einzelner Antennen auf einer kompakten Fläche zu packen.Ein AFM-Topografiebild einer Antennenanordnung mit gekoppelten Antennen und Einzelstabantennen ist in Fig. 4a dargestellt.Abbildung 4. (a) AFM-Höhenbild des zusammengesetzten Antennenarrays, (b) s-SNOM-Phase und (c) s-SNOM-Amplitudenbilder des Antennendipols.Der Kontaktpunkt zu den Antennen ist ein wichtiger Faktor beim Erreichen einer optimalen Energieübertragungseffizienz während der Herstellung von Antennenarrays.Die s-SNOM-Bildgebung ermöglicht eine einfache Erkennung der Antennenresonanz-Hotspots und des perfekten Kontaktpunkts.Das s-SNOM-Amplituden- und Phasenbild einer einzelnen Stabantenne innerhalb des Arrays ist in Abbildung 4b dargestellt.Die Dipolantennenresonanz kann bei einer Anregung von 11 µm beobachtet werden.Bei Dipolresonanz ist eine Phasenänderung von ~180° zu beobachten.Abgesehen von der Möglichkeit, hochauflösende Bilder optischer Phänomene zu sammeln, bietet das nanoIR3-s die Möglichkeit, Oberflächenmerkmale im Nanomaßstab spektral zu untersuchen.Abbildung 5 zeigt die AFM-IR-Spektren, die mit einem einzelnen Stab und einer gekoppelten Antenne aufgenommen wurden, wobei die Antennenresonanz entsprechend den theoretischen Vorhersagen bei 910 cm-1 deutlich aufgelöst werden kann.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.Dies ist das erste Mal, dass die Kombination der komplementären nanoskaligen Bildgebungstechniken s-SNOM und AFM-IR angewendet wurde, um die Rolle der Chiralität bei den Ursprüngen des Circulardichroismus in 2D-Nanomaterialien zu untersuchen.Chirale Moleküle sind eine bestimmte Art von Molekülen, die ein nicht überlagerbares Spiegelbild haben.Die Spiegelbilder chiraler Moleküle sind normalerweise als linkshändig und rechtshändig bekannt, und aufgrund der Vektornatur des Lichts kann es auch mit zwei Formen der Händigkeit existieren, links- und rechtszirkular polarisiert.Es wurde gezeigt, dass vollständig zweidimensionale (2D) Metamaterialien, auch als Metaoberflächen bezeichnet, die aus planar-chiralen plasmonischen Metamolekülen mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern bestehen, einen chiralen Dichroismus in Transmission (CDT) aufweisen.Theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass dieser unerwartete Effekt von endlichen strahlungslosen (ohmschen) Verlusten der Metaoberfläche abhängt.Bis heute wurde diese erstaunliche theoretische Vorhersage noch nie experimentell bewiesen, da es schwierig ist, den strahlungslosen Verlust im Nanobereich zu messen.s-SNOM wird verwendet, um die optische Energieverteilung abzubilden, wenn die Strukturen RCP- und LCP-IR-Strahlung ausgesetzt werden;Andererseits wurde AFM-IR anschließend verwendet, um die radikal unterschiedliche ohmsche Erwärmung zu erkennen, die unter RCP- und LCP-Strahlung beobachtet wurde.1Zum ersten Mal wurde zweifelsfrei bewiesen, dass der in 2D-Metaoberflächen beobachtete Circulardichroismus auf eine von der Händigkeit abhängige ohmsche Erwärmung zurückzuführen ist, wie in Abbildung 6 gezeigt.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 abhängt.1Das AFM-IR-Verfahren arbeitet durch Erfassen der thermischen Ausdehnung eines Materials, die durch die Absorption von Infrarotbeleuchtung induziert wird.Die Wärmeausdehnung eines Materials hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z. B. der Dicke des Materials und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten.1D- und 2D-Materialien wie einwandige Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und einschichtiges Graphen besitzen einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie eine Dicke von etwa 1–2 nm.Die Charakterisierung mit AFM-IR wird aufgrund der Beschaffenheit dieser 1D- und 2D-Proben erschwert.Eine Zunahme der AFM-IR-Signalintensität um zwei Größenordnungen wird beobachtet, indem eine dünne Schicht Polymermaterial unter den Graphen- und CNT-Proben positioniert wird.2,3 Da die einfallende IR-Strahlung von der dünnen Probe absorbiert wird, wird die erzeugte Wärme verschoben zum dünnen Polymer, das einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und sich ausdehnt.In Abbildung 7 ist das Finite-Elemente-Analysemodell dargestellt, das verwendet wird, um die Auswirkungen zu simulieren, 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.Das Modell wurde verifiziert, indem eine Reihe von CNTs untersucht wurden, die auf einer 150 nm dicken Polystyrolschicht auf einem ZnSe-Prisma platziert wurden.Vor der CNT-Abscheidung wurde ein Bereich des Polymersubstrats entfernt, um sicherzustellen, dass sich darunter ein Bereich von CNT ohne Polymer befand.In Fig. 8 kann beobachtet werden, dass das bei 4000 cm –1 erhaltene chemische IR-Bild ein klares Signal von den CNT in dem Bereich zeigt, der Polystyrol darunter hat, während kein Signal zu sehen ist, wo das Polymersubstrat entfernt wurde.Es wurde vermutet, dass das sich ändernde AFM-IR-Signal von verschiedenen CNTs auf den Unterschied zwischen metallischen und halbleitenden Röhren zurückzuführen ist.Die AFM-IR-Bildgebung von Graphen auf einer 106 nm dicken PMMA-Schicht ist in Abbildung 8c dargestellt.Dieses Bild zeigt die Erweiterung dieser Technik auf einschichtige 2D-Materialien.Durch die Verstärkung des AFM-IR-Signals durch eine dünne Polymerschicht wird die Signalintensität um zwei Größenordnungen erhöht.Diese neue Technik ermöglicht die AFM-IR-Charakterisierung von 1 nm dicken 1D- und 2D-Materialien, was früher nicht möglich war.In Zukunft kann diese dramatische Signalverbesserung auf eine Reihe von Anwendungen angewendet werden, darunter ultradünne biologische Materialien und eine Vielzahl von 1D- und 2D-Materialien.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.Eines der am häufigsten verwendeten Polymere ist Polyethylen (PE) mit Anwendungen in mehreren Branchen, einschließlich 2D-Materialanwendungen.Anorganische Füllstoffe wie Graphit und Metallpartikel wurden hinzugefügt, um die thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften von PE zu variieren.In letzter Zeit hat hexagonales Bornitrid (hBN) aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit, Isoliereigenschaften und Wärmeleitfähigkeit ein Potenzial als Füllstoff gezeigt.Forscher der Universität Sichuan charakterisierten diesen Effekt von hBN-Partikeln auf das Schmelzverhalten von Polyethylen mittels Lorentz-Kontaktresonanz (LCR) und nanothermischer Analyse (nanoTA).3Wie in Abbildung 9a und b gezeigt, kann die LCR-Bildgebung Regionen mit hoher hBN-Konzentration auf der Oberfläche deutlich zeigen.Anschließend wurde nanoTA verwendet, um die Erweichungstemperatur verschiedener Bereiche des Materials zu messen;Wie in Abbildung 9 gezeigt, wurde für Bereiche der PE-Probe in der Nähe von hBN-Aggregaten im Vergleich zu Bereichen ohne hBN ein Anstieg der Übergangstemperatur von 4–8 °C beobachtet.Unter Verwendung der Bulk-Übergangstemperatur innerhalb der Standardabweichung der nanoTA-Werte wurde die Genauigkeit dieser Technik im Vergleich zur herkömmlichen DSC-Analyse verifiziert.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 zu einem schwachen exothermen Peak führt, 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 gemessen 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).Die jüngste Forschung konzentrierte sich aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seines Potenzials in der Optoelektronik auf Graphen.Die Rasterthermomikroskopie (SThM) charakterisiert die Wärmeleitfähigkeit von 2D-Materialien, da sie eine hohe Empfindlichkeit bei der Widerstandserkennung zwischen Sonde und Probe liefert.Diese hohen räumlichen Auflösungen eliminieren Unsicherheiten bei der Erkennung der Quelle der elektrischen Fähigkeiten einer Probe, was SThM zu einer zuverlässigen Technik zur qualitativen Überwachung der Probentemperatur und auch der Wärmeleitfähigkeit macht.Forscher der Durham University und der Lancaster University setzten SThM ein, 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 von dem abgebildeten Substrat getragen wurde.Es wurde entdeckt, dass eine Erhöhung der Anzahl unterstützter Graphenschichten zu einer offensichtlichen Abnahme des Wärmewiderstands führte.Eine Hauptbeobachtung war, dass die Wärmeleitfähigkeit von sowohl zweischichtigem als auch mehrschichtigem Graphen, das über dem Graben aufgehängt war, höher war als die der unterstützten Schicht, im Gegensatz zu den Erwartungen, dass die Leitung vom Graphen zum Substrat zu einer größeren Wärmeableitung führen würde.Da die mittlere freie Weglänge thermischer Phononen in Graphen im Vergleich zur Höhe des Grabens viel höher ist, wird die Hypothese aufgestellt, dass ballistische akustische Phononen von der SThM-Spitze die Hauptquelle der Wärmeübertragung sind, wobei sich 90 % in der Ballistik dem Graben nähern Regime.Eine noch über dem Graben schwebende Graphenausbuchtung zeigte ähnliche Eigenschaften, wobei experimentelle Unterschiede wie die SThM-Kontaktfläche als Ursache für dieses Verhalten ausgeschlossen wurden.Diese Messungen kamen zu dem Schluss, dass dreischichtiges Graphen fast 68 % der Wärmeleitfähigkeit hatte als die Einzelschicht.Schließlich zeigt die thermische Kartierung von Grenzregionen zwischen unterstützten Graphenschichten, dass die thermische Übergangsregion eine Breite von 50–100 nm hat, was theoretische Schätzungen für die mittlere freie Weglänge verifiziert.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.Das nanoIR3-s bietet eine außergewöhnliche Charakterisierung von 2D-Materialeigenschaften mit komplementären photothermischen Tapping-AFM-IR- und Nahfeld-s-SNOM-Methoden.Die AFM-basierte Abbildung von Eigenschaften im Nanomaßstab bietet korrelative Mikroskopiefunktionen 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, 15. Januar).Charakterisierung von 2D-Materialien mit nanoskaliger IR-Spektroskopie und Property Mapping.AZoM.Abgerufen am 23. Juni 2022 von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=17421.Bruker Nanooberflächen."Charakterisierung von 2D-Materialien mit Nanoskalen-IR-Spektroskopie und Eigenschaftszuordnung".AZoM.23. Juni 2022.