基于纳米尺度红外光谱和性质映射的二维欧洲杯足球竞彩材料表征

2D材料在半导体，电池技术，光伏和其他几个领域的重要应用的特殊性质欧洲杯足球竞彩使它们成为一个关键的发展领域。已经使用各种纳米级和显微镜方法来表征2D材料，以更好地了解其性质的性质。欧洲杯足球竞彩Nanoir方法用关键的纳米级化学和光学性质测绘延伸了该表征。

这nanoIR3-s系统提供两种互补的纳米尺度红外方法，AFM-IR光热基纳米尺度红外成像和光谱(包括攻丝AFM-IR)和散射扫描近场光学显微镜(s-SNOM)。这些方法提供了一个特殊的理解纳米级化学和复杂的光学性质的二维材料。欧洲杯足球竞彩互补原子力显微镜(AFM)方法，如机械和热性能映射，也提供了这些材料的热、机械和电性能的信息。欧洲杯足球竞彩这些方法允许10 nm空间分辨率的化学和光学性质映射，大大低于传统红外光谱的衍射极限。

在本文中，nanoIR3-s系统用于表征一系列二维结构和材料，包括纳米天线、石墨烯、半导体等。欧洲杯足球竞彩

互补纳米级红外技术

NanoIR3-S能够使用两种不同的近场光谱方法获取纳米级图像和红外光谱：S-SNOM和光热AFM-IR。这些互补方法使纳米级化学分析，以及具有空间分辨率的电气，热，机械和光学映射到难以达到几纳米，以及软质量应用。

纳米级红外光谱结合了红外光谱的精确化学识别和纳米级AFM的能力，能够在化学空间分辨率低至10 nm的单分子层灵敏度下对样品成分进行化学检测，超出衍射极限100倍以上。AFM-IR吸收光谱是对样品吸收的直接测量，不依赖于样品和探针的其他复杂光学性质。因此，与传统的体透射红外光谱相比，其光谱效果非常好。

等离子体和声子成像

二维材料中的表面等离子体极化子(SPPs)和表面声子极化子(SPPs)由于其高度的空间约束，可以为改善光物质相互作用、亚波长超材料、超级透镜和其他创新光子器件创造新的可能性。欧洲杯足球竞彩需要一种具有纳米空间分辨率的适应性光学成像和光谱工具，以便在各种应用中对这些极化激振进行原位表征。s-SNOM提供了一种特殊的手段，通过非侵入性近场光物质相互作用，选择性地激发和局部检测真实空间中的振动和电子共振。

这种方法通过成像六方氮化硼(hBN)的SPhPs来演示，如图1所示。振幅和相位近场光学图像提供了详细描述极化共振的互补信息。hBN上SPhPs的相移大于90°，表明了强的光物质耦合。

图1。(a) AFM高度图像显示了Si衬底上不同层的均匀hBN表面;(b) s-SNOM振幅由于SPhP沿hBN表面传播而表现出强烈的干涉条纹;(c) s-SNOM相位随层厚呈现不同的相位信号。

石墨烯的SPPs也可以使用纳米ir3 -s来检测，类似于hBN中SPPs的可视化。石墨烯楔上SPP的驻波如图2所示。通常，只有AFM探针的末端半径限制了s-SNOM的空间分辨率，从而使s-SNOM方法可以测量近8 nm的SPP截面。

图2。(a)石墨烯表面等离子体极化子的s-SNOM相图;(b) SPP驻波相位截面。

Nanocontamination的石墨烯

石墨烯独特的电学和力学性能依赖于保持片的整体共轭结构。纳米ir3 -s可以简单地评价通过不同技术获得的剥离石墨烯的质量，如图3所示。在AFM高度图像中难以识别的污染在s-SNOM反射图像中可见。此外，s-SNOM反射图像的差异随现有石墨烯层的数量而变化，表明样品上存在纳米污染。

图3。（一种）s-SNOM反射图像，显示纳米污染(污垢)（b）剥离石墨烯的AFM高度图像．

描述Nanoantenna共振

纳米天线有广泛的应用，从传感到能量转换。为了构建精确可靠的器件，测量和调整这些天线的共振结构的能力是至关重要的。纳米天线阵列很常见，因为它们可以在一个紧凑的区域内封装大量的独立天线。图4a为包含耦合天线和单杆天线的天线阵的AFM地形图。

图4。（a）组装天线阵列的AFM高度图像，（b）S-SNOM相和（c）天线偶极子的S-SNOM幅度图像。

对天线的接触点是在天线阵列的制造过程中实现最佳能量传递效率的重要因素。S-SNOM成像使得能够简单地检测天线共振热点和完美的接触点。图4B中示出了包括在阵列内的单个杆天线的S-SNOM幅度和相位图像。可以用11μm激发观察偶极天线谐振。在偶极谐振下可以观察到〜180°的相变。

除了能够收集高分辨率的光学现象图像外，nanoIR3-s还提供了光谱探测纳米尺度表面特征的能力。

图5显示了在单杆和耦合天线上采集的AFM-IR光谱，其中天线共振可以在910 cm处清晰分辨^－1，与理论预测一致。

图5。单杆和耦合天线的AFM-IR光谱;峰值在910厘米处^－1对应于单杆天线的天线谐振，而峰值为1100厘米^－1显示两个天线共享的Si-O模式。

偏振光对超表面手性的影响

这是第一次将互补的纳米尺度成像技术，s-SNOM和AFM-IR应用于研究手性在二维纳米材料圆二色性起源中的作用。欧洲杯足球竞彩手性分子是一类具有不可重叠镜像的特殊分子。手性分子的镜像通常被称为左手分子和右手分子，并且由于光的矢量性质，它也可以以两种形式的手性存在，左圆偏振和右圆偏振。

由厚度只有几纳米的平面手性电浆子超分子组成的全二维(2D)超材欧洲杯足球竞彩料，也称为超表面，已经被证明具有手性透射二色性(CDT)。理论计算表明，这种意想不到的效应依赖于有限的非辐射(欧姆)损失的超表面。到目前为止，由于在纳米尺度上测量非辐射损耗的困难，这个惊人的理论预测从未被实验证明。

S-SNOM用于当结构经受RCP和LCP IR辐射时映射光能分布;另一方面，随后使用AFM-IR来检测在RCP和LCP辐射下看到的局部不同的欧姆加热。¹

首次证明，在2D元件中观察到的圆形二色性可以归因于依赖于依赖的欧姆加热，如图6所示。

图6。实验测量的AFM悬臂梁偏转振幅。在激光脉冲作用下，悬臂梁的挠度与样品中温度的升高成正比;这证实了手性二维超表面的欧姆加热的大小和空间分布明显依赖于光的手性。¹

纳米红外分析碳纳米管

AFM-IR方法的工作原理是检测材料吸收红外照明引起的热膨胀。材料的热膨胀取决于许多因素，如材料的厚度和热膨胀系数。一维和二维材料，如单欧洲杯足球竞彩壁碳纳米管(CNT)和单层石墨烯，热膨胀系数低，厚度约为1-2 nm。由于这些一维和二维样品的性质，AFM-IR的表征变得困难。

通过定位石墨烯和CNT样品下方的薄层聚合物材料来观察到AFM-IR信号强度的两个数量级增加。^2，3由于入射的红外辐射被薄样品吸收，产生的热量被转移到热膨胀系数相当高的薄聚合物上，使其膨胀。如图7所示为用于模拟聚合物厚度对温度变化和热膨胀影响的有限元分析模型。

图7。(a)温升(ΔT)和膨胀(ΔZ)作为试样下方聚合物厚度的函数;(b)无聚合物时的温升和(c)样品下方有聚合物时的温升;垂直热机械膨胀(d)在没有聚合物的情况下和(e)在样品下方有聚合物的情况下。

通过检查放置在ZnSe棱镜上150 nm厚的聚苯乙烯层上的一系列碳纳米管，验证了这个模型。在碳纳米管沉积之前，移除聚合物衬底的一个区域，以确保有一个没有聚合物的碳纳米管区域。从图8可以看出，在4000 cm处获得的红外化学图像^－1在含有聚苯乙烯的区域显示出清晰的信号，而在聚合物基板被移除的区域则看不到信号。有人认为，不同碳纳米管的AFM-IR信号的变化是由于金属管和半导体管之间的差异造成的。

石墨烯在106 nm厚的PMMA层上的AFM-IR成像如图8c所示。这张图片揭示了这种技术在单层二维材料上的扩展。欧洲杯足球竞彩由于薄层聚合物对AFM-IR信号的放大，信号强度增加了两个数量级。这种新技术能够对1纳米厚的1D和2D材料进行AFM-IR表征，这在以前是不可能的。欧洲杯足球竞彩接下来，这种显著的信号改善可能会应用于一系列应用，包括超薄生物制品和各种1D和2D材料。欧洲杯足球竞彩

图8。(a)聚苯乙烯基上沉积碳纳米管的AFM形貌成像;(b) 4000 cm处红外化学测绘图像^－1显示碳纳米管的吸收;(c) 4000 cm处单层石墨烯红外化学制图图像^－1．

用纳米ota和LCR研究聚乙烯的放热峰

最广泛使用的聚合物之一是聚乙烯（PE），其中包括若干行业的应用，包括2D材料应用。欧洲杯足球竞彩已经包括石墨和金属颗粒等无机填料，以改变PE的热，电气和机械性能。欧洲杯猜球平台最近，由于其高机械强度，绝缘性能和导热性，六边形氮化硼（HBN）表现为填料。四川大学的研究人员表征了HBN颗粒对使用Lorentz接触共振（LCR）和纳米热分析（Nanota）的聚乙烯熔化行为的影响。欧洲杯猜球平台^3.

如图9a和b所示，LCR成像可以清晰地显示出地表hBN浓度高的区域。随后，利用纳米ota测量材料不同区域的软化温度;如图9所示，PE样品靠近hBN聚集体的区域与没有hBN聚集体的区域相比，过渡温度升高了4-8°C。利用纳米ota值的标准偏差内的本体转变温度，验证了该技术的准确性，并与传统的差示扫描量热分析法进行了比较。

结合DSC分析表明，PE在结晶过程中在h-BN颗粒附近形成了中间相，形成了较弱的放热峰。欧洲杯猜球平台如图9所示，也是直接对hBN粒子进行纳米ota测量，在400°C以下的温度下没有测量到热转变。欧洲杯猜球平台

图9。（a）LCR-AFM高度图像;（b）PE / BN复合材料的AFM机械图像（使用LCR），在A，D和E中显示氮化硼簇;（c）通过纳米TA获得分配位置的局部热分析数据，比较PE和BN的熔化温度;（d）来自PE / BN复合材料的DSC（加热速率为2°C min）^－1)．

用三氢甲烷法分析石墨烯片的导热性能

由于石墨烯具有较高的热导率和在光电子领域的潜力，近年来其研究备受关注。扫描热显微镜(SThM)表征二维材料的热导率，因为它在探针和样品之间的电阻检测具有很高的灵敏度。欧洲杯足球竞彩这些高空间分辨率消除了样品电能力来源检测的不确定性，使SThM成为一种可靠的监测样品温度和热导率的定性方法。

杜伦大学和兰开斯特大学的研究人员使用SThM来研究单层和多层石墨烯薄片的导热性。^4.在Si/SiO上沉积了石墨烯₂有预制沟槽的衬底，石墨烯悬浮在沟槽上方并由衬底支撑成像。研究发现，增加负载石墨烯层的数量会导致热阻明显降低。一个主要的观察结果是，双层和多层石墨烯悬浮在沟槽上的热导率都高于支撑层，这与预期的石墨烯到基板的传导会产生更大的散热形成了对比。

由于石墨烯中热声子的平均自由程比沟槽的高度高得多，因此假设来自SThM尖端的弹道声子是主要的热传递源，在弹道范围内90%的声子接近沟槽。一个仍然悬浮在沟槽上的石墨烯凸起显示出类似的性质，排除了实验差异，如SThM接触面积，作为导致这种行为的原因。

这些测量结果表明，三层石墨烯的热导率几乎是单层石墨烯的68%。最后，对支撑石墨烯层之间边界区域的热映射表明，热过渡区域的宽度为50-100 nm，验证了平均自由程的理论估计。

图10。(a)负载石墨烯的SThM图像，在整个样品中显示不同的厚度;(b)测量的接触热阻与石墨烯层数的函数关系，表明热阻随着层数的增加而减小。

结论

这nanoIR3-s提供了基于光热的tap AFM-IR和近场s-SNOM方法的二维材料特性的卓越表征。基于afm的纳米尺度性能映射提供了相关的电子、热和机械性能映射的显微镜功能。

参考文献

1. Khanikaev AB, Arju N, Fan Z, Purtseladze D, Lu F, Lee J, sararriugarte P, Schnell M, Hillenbrand R, Belkin MA, Shvets G.二维超材料圆二色性微观起源的实验证明。欧洲杯足球竞彩自然通信．2017.
2. 罗森伯格先生，王mc，谢旭，Rogers JA, N S, K WP。使用原子力显微镜红外光谱法测量单个碳纳米管和单个石墨烯薄片。纳米技术．2017.
3. 张旭，吴辉，郭胜，王勇。2015。对聚乙烯结晶的理解:氮化硼(BN)颗粒的作用。欧洲杯猜球平台皇家化学进步学会．2015(121): 99585 - 100407。
4. Pumarol ME, Rosamond MC, Tovee P, Petty MC, Zeze DA, Falko V, Kolosov OV。石墨烯纳米结构中弹道和扩散热传输的直接纳米级成像。纳米快报．2012（12）2906-2911。

这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问力量纳米表面。