結(jié)合盤式光學諧振器與PTIR技術(shù) AFM實現(xiàn)納米級精確測量
大多數(shù)測量儀器都受制于測量精度和測量速度之間的權(quán)衡，因為測量越精確，所需的時間就越長。可是，納米尺度上出現(xiàn)的許多現(xiàn)象既快又小，因此，針對它們的測量系統(tǒng)必須能夠在時間和空間上捕捉到它們的精確細節(jié)。
上圖為與光學諧振器集成的納米級原子力顯微鏡(AFM)探針的彩色電子顯微照片，這種盤式光學諧振器擴展了AFM探針的功能，用作光學領(lǐng)域的“回音壁”，允許特定頻率的光共振。
為了應對這一挑戰(zhàn)，美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員重新設計了原子力顯微鏡(AFM)核心的探測系統(tǒng)。原子力顯微鏡是納米世界的首要工具，它使用小探針或尖端來繪制亞微觀丘陵和山谷，這些丘陵和山谷在納米尺度上定義了材料表面及其他屬性。原子力顯微鏡已經(jīng)徹底改變了人們對納米結(jié)構(gòu)的理解，但科學家們?nèi)圆粷M足，現(xiàn)在又熱衷于研究納米級現(xiàn)象，例如蛋白質(zhì)折疊或熱擴散，這種現(xiàn)象發(fā)生得太快，產(chǎn)生的變化太小，現(xiàn)有的顯微鏡無法準確測量。
NIST的研究人員制造了一種非常輕的AFM探針，并將其與納米級設備相結(jié)合，將探針的微小偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為波導內(nèi)光信號的巨大變化，從而開辟了新天地：他們的AFM系統(tǒng)可以高精度地測量結(jié)構(gòu)的快速變化。
上圖為新制造的原子力顯微鏡(AFM)探針與盤形光學諧振器集成的示意圖。再結(jié)合光熱誘導共振(PTIR)技術(shù)，探針就能夠高精度地測量材料中微小的快速變化。光熱誘導共振(PTIR)技術(shù)的原理是使用紅外光檢查材料的成分。
這一成就將原子力顯微鏡帶入了一個新的領(lǐng)域，使該儀器能夠測量納米級的時變過程，即百億分之一秒內(nèi)發(fā)生的變化。NIST的科學家Andrea Centrone說：“這確實是一次革命性的轉(zhuǎn)型進步。”
Centrone，Vladimir Aksyuk及其同事在實驗中采用了使用光熱誘導共振(PTIR)的新原子力顯微鏡功能，這種功能結(jié)合了原子力顯微鏡的敏銳度和紅外光確定材料成分的能力。
通過新的AFM-PTIR系統(tǒng)，科學家們高精度地測量了單個微晶在光脈沖加熱下的快速但微小的膨脹。研究團隊檢測的微晶屬于金屬有機框架(MOF)材料。這些材料包含納米大小的孔隙，相當于微型海綿，可以儲存氣體并用作藥物輸送容器等用途。
準確了解金屬有機框架(MOF)傳導熱量的方式對設計這些特殊應用材料至關(guān)重要。然而，大多數(shù)MOF是微晶，它們對于傳統(tǒng)儀器來說太小，無法測量它們的導熱性。但是當該團隊使用了新的AFM-PTIR系統(tǒng)后，就成功記錄了MOF晶體在被光脈沖加熱導致熱膨脹后冷卻恢復到原始尺寸所需的時間。然后研究人員利用這些信息確定了單個MOF微晶的熱導率，這是以前從未實現(xiàn)過的壯舉。
Aksyuk及其同事設計的原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)具有兩個關(guān)鍵要素。首先，研究人員縮小了原子力顯微鏡的探針，AFM的探針是一個像彈簧一樣的小懸臂，當樣品對其施加力時會偏轉(zhuǎn)和振動。NIST納米科學與技術(shù)中心(CNST)的納米實驗室(NanoFab)制造的新探針重量僅為萬億分之一克。這種極微小的質(zhì)量使得探針能夠更快地響應微小的力或位移，例如被檢測的金屬有機框架(MOF)的熱膨脹所引起的力或位移。
研究人員將懸臂與微型盤狀諧振器集成在一起，該諧振器的作用就像光學領(lǐng)域的回音壁一樣，回音壁允許特定頻率的聲波在圓頂周圍自由傳播，而該諧振器則允許特定頻率的光在圓盤周圍循環(huán)。
原子力顯微鏡(AFM)懸臂和圓盤相距僅150納米。這個距離小到懸臂的微小運動就足以改變圓盤上的共振頻率，其結(jié)果就是將AFM探針的微小機械運動轉(zhuǎn)換成光信號上的巨大變化。盡管之前已經(jīng)有科學家們成功地將光學腔與其他測量工具結(jié)合在一起，但該團隊設計的系統(tǒng)是第一個將這種光學裝置集成到AFM中的系統(tǒng)。
Centrone，Aksyuk和幾位同事共同撰寫的研究論文已經(jīng)發(fā)表于《納米快報》(Nano Letters)上。
Aksyuk和他的合作者們在納米科學與技術(shù)中心煞費苦心地使用一系列納米制造工具設計、制造并測試了這個系統(tǒng)。這套新的AFM-PTIR系統(tǒng)可以記錄的位移小到百億分之一秒(0.1納秒)內(nèi)發(fā)生的萬億分之一米(1皮米)的位移。該團隊現(xiàn)在計劃提高PTIR技術(shù)的速度，并使用探針在水中進行測量，因為這種環(huán)境更適合檢測生物樣本。
