Uma nova abordagem de microscopia de nanomateriais chamada Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM), permite medições de menos de 10 nanômetros de função de trabalho e potencial de superfície em uma varredura AFM de passagem única. Os resultados foram publicados em dois artigos relacionados em ACS Nano e Angewandte Chemie International Edition .

Conforme a tecnologia encolhe, a necessidade de caracterizar as propriedades de materiais muito pequenos - medidos em nanômetros (1 nanômetro =1 bilionésimo de metro) - tornou-se cada vez mais importante. Nanomateriais que medem de 1 a 20 nanômetros são promissores para uso em dispositivos eletrônicos de última geração, células solares, tecnologia a laser, e produtos químicos e biossensores, para nomear alguns. Para escala, a largura de um cabelo humano é 75, 000 nanômetros.

Para entender o potencial de superfície dos nanomateriais, a ferramenta de nanociência mais comumente usada é a Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), que é uma técnica baseada em microscopia de força atômica (AFM) que mede a função de trabalho e o potencial de superfície. Infelizmente, O KPFM tem suas limitações devido ao uso de tensão CA para carregar a ponta de prova AFM.

"Cada técnica KPFM opera no mesmo paradigma de medição:a tensão CA é usada para carregar completamente uma sonda AFM, produzindo assim uma força eletrostática detectável para aquisição de imagem, "explica Xiaoji Xu, professor assistente no Departamento de Química da Universidade de Lehigh. "Sobrecarregar a sonda com cargas força um limite na resolução espacial, uma vez que as cargas não se limitam ao ápice da sonda AFM. Em vez de, cargas excessivas ocupam todo o cantilever e contribuem para o sinal. "

Agora, Xu e seu aluno de graduação Devon S. Jakob introduziram um paradigma de medição inteiramente novo com base no alinhamento nos níveis de Fermi. Enquanto os métodos KPFM tradicionais produzem imagens com uma resolução espacial de 30 a 100 nanômetros, o novo método do Grupo de Pesquisa Xu, chamada de microscopia de força de sonda Kelvin de força pulsada (PF-KPFM), permite medições de menos de 10 nanômetros de função de trabalho e potencial de superfície em uma varredura AFM de passagem única. Suas descobertas foram publicadas em um artigo em ACS Nano: "Microscopia de força de sonda Kelvin de força pulsada."

"Em Microscopia de Força de Sonda Kelvin de Força Pulsada, removemos a necessidade de tensão CA implementando um circuito personalizado de um transistor de efeito de campo entre a ponta e a amostra que atua como uma chave binária, "diz Xu." Quando o interruptor está ligado, o circuito atua como um fio simples, permitindo que as cargas passem entre a ponta e a amostra. Uma pequena quantidade de cargas migra espontaneamente entre a ponta e a amostra com base na diferença relativa em seus níveis intrínsecos de Fermi. Quando a chave está desligada, o circuito não permite a passagem de cargas, e atua como um capacitor para reabsorver as cargas da ponta e da região da amostra. "

O PF-KPFM também opera exclusivamente no modo de força pulsada, de acordo com Xu. Usando o modo de força pulsada, ele diz, As medições de PF-KPFM podem ser obtidas com precisão em distâncias de ponta-amostra muito pequenas, onde a força elétrica é grande, permitindo que pequenas heterogeneidades de amostra sejam reveladas.

"O próximo passo lógico foi combinar PF-KPFM com microscopia de Peak Force Infrared (PFIR), uma técnica de imagem infravermelha inventada em nosso laboratório, uma vez que ambas as técnicas usam o modo de força pulsada, "diz Xu." A técnica resultante, denominado PFIR-KPFM, fornece topografia, mecânico, químico, e informações elétricas em

Então, além de alcançar melhorias significativas na medição do potencial elétrico em nanomateriais em uma varredura AFM de passagem única, O PF-KPFM pode ser combinado com a microscopia (PFIR) para medições correlativas de alto rendimento, de acordo com os pesquisadores. Este estudo de acompanhamento é descrito em um artigo, "Peak Force Infrared? Kelvin Probe Force Microscopy, "em breve em Angewandte Chemie International Edition .

"Força pulsada KPFM é a primeira técnica KPFM a realmente implementar o modo de força pulsada de AFM para caracterização de potencial de superfície em nanoescala, e a primeira técnica KPFM a ser combinada com detecção infravermelha simultânea na mesma varredura, "diz Xu.

A importância de medir com precisão as propriedades nanoelétricas dos materiais é de longo alcance tanto na academia quanto na indústria, de acordo com os pesquisadores. Devido ao tamanho cada vez menor dos dispositivos semicondutores, PF-KPFM pode ser especialmente útil para empresas de tecnologia, já que a alta resolução espacial do PF-KPFM revela recursos que são muito pequenos para outras técnicas KPFM. De forma similar, eles dizem, O PFIR-KPFM será benéfico ao revelar as correlações entre a heterogeneidade química, estrutura, e propriedades elétricas de componentes de células solares feitos em laboratório.

"Em última análise, "diz Xu, "Esperamos que nossa invenção abra as portas para a caracterização de novos materiais, e ajudar a preparar o caminho para dispositivos relacionados à energia mais eficientes. "

O grupo de pesquisa de Xu desenvolve novos métodos e instrumentos para medição química e imagem em nanoescala com Resolução espacial <10 nm. Eles empregam dois métodos de imagem em nanoescala de infravermelho inventados por Xu:microscopia óptica de campo próximo do tipo espalhamento de força de pico (PF-SNOM) e microscopia de infravermelho de força de pico (PFIR). Essas técnicas capacitam os pesquisadores a estudar objetos em nanoescala anteriormente inacessíveis com informações espectroscópicas multimodais próximas ao limite inferior da escala espacial.

Xu foi nomeado Bolsista de Pesquisa do Sloan em 2020. Este prestigioso prêmio, financiado pela Alfred P. Sloan Foundation, coloca Xu entre "os pesquisadores científicos mais promissores em atividade". Adicionalmente, foi nomeado um jovem investigador Beckman, ganhando uma bolsa de prestígio concedida pela Fundação Arnold e Mabel Beckman para "os mais promissores jovens membros do corpo docente nos estágios iniciais de suas carreiras acadêmicas nas ciências químicas e da vida."