中紅外波段的紅外光生偶極力通常比紅外光熱膨脹力弱1~2個數(shù)量級，難以在實驗中測量。基于力的納米級紅外（nano-IR）成像技術(shù)，包括光熱誘導(dǎo)共振（PTIR）、峰值力紅外（PFIR）和光致力顯微鏡（PiFM），可以通過直接成像其固有振動模式（材料的“指紋”身份）來研究樣品納米尺度信息。 據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，南京大學(xué)夏興華教授、李劍副研究員團隊提出了一種利用襯底的表面聲子極化激元來增強納米紅外成像中光生偶極力響應(yīng)的方法，進而實現(xiàn)超薄樣品表面和亞表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確區(qū)分。該研究成果最近以“Surface-phonon-polariton-enhanced photoinduced dipole force for nanoscale infrared imaging”為題在線發(fā)表于National Science Review期刊。

研究人員發(fā)現(xiàn)石英襯底的表面聲子極化激元可以顯著增強近場光生力響應(yīng)中的光生偶極力，使其超過襯底和樣品的光熱膨脹力。基于此，他們設(shè)計了一種基于襯底表面聲子極化激元增強光生偶極力的納米尺度紅外成像策略，能夠解決超薄樣品中異質(zhì)結(jié)構(gòu)的成像難題，如圖1所示。

圖1 基于聲子極化激元光生偶極力的超靈敏納米紅外成像策略

研究人員以石英襯底表面不同厚度的聚二甲基硅氧烷作為模型體系，驗證了該方法在超薄樣品中成像的靈敏度和對比度，結(jié)果如圖2所示。

圖2石英襯底聚二甲基硅氧烷的納米紅外對比成像

隨后，研究人員將該方法應(yīng)用于層狀共價有機框架材料和嵌段共聚物亞表面缺陷的可視化，實現(xiàn)了高分辨的納米成像，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3應(yīng)用于層狀共價有機框架材料的成像結(jié)果

圖4嵌段共聚物亞表面缺陷的成像結(jié)果

綜上所述，這項研究展示了一種襯底增強的納米紅外對比成像技術(shù)，通過在聲子極化共振附近實現(xiàn)強增強的光生偶極力。這項研究主要通過選擇具有低熱膨脹系數(shù)、吸收系數(shù)或熱擴散率等低熱性能的襯底材料來限制熱膨脹，從而增強聲子極化共振附近的偶極子力。該方法可用于診斷包括地下在內(nèi)的超薄結(jié)構(gòu)的綜合形貌信息，這對于聲子極化材料對納米級器件的非侵入性診斷具有重要意義。

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https://doi.org/10.1093/nsr/nwae101

審核編輯：劉清