近日，清华大学精密仪器系纳米光学团队白本锋教授、孙洪波教授等人研究提出了一种光调制范德华力显微新方法。该方法通过探测纳米探针和样品间光调制动态范德华力的变化，无需借助任何光谱仪器，即可对材料表面形貌、组分、缺陷等实现亚10nm分辨率的同步原位表征。相关成果以“Light-modulated van der Waals force microscopy”为题发表在期刊《Nature Communications》上。
研究背景与成果
原子力显微镜（AFM）是对材料表面三维形貌进行纳米分辨率表征的得力工具，自20世纪80年代发明以来得到了广泛应用。然而，由于AFM的工作原理是通过探测探针与样品表面的绝对相互作用力来确定探针-样品间距，因此只能测得样品表面的形貌变化，而无法确定材料组分，即“只能看到有什么，不知道是什么”。
白本锋教授、孙洪波教授团队在深入研究纳米探针和样品相互作用力的基础上，提出一种用调制激光激发样品并探测样品-针尖动态范德华力的新技术，由于这种动态范德华力会随着被探测材料内部原子或分子间的结合力（bonding force）不同而变化，即包含了材料原子分子结合力的信息，因此在探针扫描样品表面时，可通过对动态范德华力的探测而感知材料类型或组分的变化；进而，如果事先测得了不同材料随激发光波长变化的动态范德华力响应曲线，还能确定材料种类。这种新技术被命名为光调制范德华力显微术（Light-modulated van der Waals force microscopy, LvFM）。
图1.LvFM的工作原理
具体而言，由于范德华力发生在相邻原子或分子间很近的距离内（通常为几纳米），对分子间距非常敏感，和间距有着−7方的依赖关系，因此是一种很灵敏的力-间距传感机制。然而，通常范德华力很微弱，会淹没在其他力信号和背景噪声中，实际上很难探测到，所以在以往的研究中常常被忽略。研发团队提出采用一种边带调制-解调方法，使用特定调制频率的激光照射针尖下方的材料表面，诱导其分子热运动增强，由于不同材料的分子结合力不用，这种热运动增强的差异会体现在样品-针尖的动态范德华力变化中，并通过利用双模悬臂梁的边带解调被提取出来，从而达到辨别材料组分的目的。
图2. LvFM仪器装置及使用的边带解调技术
成果优势
在本研究中，团队展示了利用LvFM对过渡金属硫化物等二维材料、碳纳米管、金属、半导体、聚合物、以及多种类型的纳米颗粒的表征，展现出一系列优点：对材料组分成像的空间分辨率优于10 nm，信噪比优于20 dB，探测灵敏度达到10-5 V/mW，15秒内的信号稳定性优于8%，扫描速度达到8 ms/点，并可在一次扫描中同时获取样品表面形貌像和组分像，为高分辨、原位研究材料形貌和纳区组分、缺陷之间的关联性提供了利器。此外，由于LvFM的工作原理与近场红外光谱等方法有根本不同，无需选择材料振转能级进行激发，因此使用的激发光功率阈值低，激发波长可以在可见光到红外的超宽波段内选择，使用方便；对各种类型材料都可适用，普适性好；在大气环境下工作，便于操作，且与AFM很好兼容，通过增加光学模块即可为AFM赋能，实现了“不仅能看到有什么，还知道是什么”的目标，大大提升其功能和应用范围。
图3. LvFM的分辨率、信噪比、时间稳定性等性能指标
成果应用
该研究工作展示了LvFM对多种复杂情景下的材料组分表征鉴别，比如对同种材料中异质结晶相的识别、对混合异质纳米材料的组分指认、以及对二维半导体材料中纳米缺陷的检测，是一种快速、准确、无损、无标记的高分辨表征方法，有望在新一代半导体芯片量检测、低维材料和量子材料研发、新型纳米光电子器件研制和质量检测等领域取得重要而广泛的应用。
图4. LvFM在多种材料纳区组分表征中的应用
本研究工作的完成单位为清华大学精密仪器系和精密测试技术及仪器全国重点实验室。论文第一作者为精仪系博士研究生韩昱霄，通讯作者为精仪系白本锋教授、孙洪波教授。本研究受到国家自然科学基金项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53461-5
作者简介：
韩昱霄，博士，2019年9月进入清华大学精密仪器系光学工程专业攻读博士学位，2024年1月毕业。
白本锋，清华大学精密仪器系教授，精密测试技术及仪器全国重点实验室“激光超精密特种制造与测量研究部”主任。从事纳米光学特种制造及精密测量领域的研究工作，发表SCI论文100余篇，获授权国家发明专利30余项。现任全国纳米技术标准化技术委员会委员、中国微米纳米技术学会纳米光器件与系统分会秘书长、中国光学工程学会微纳专业委员会副秘书长、中国材料研究学会超材料分会常务理事等职。曾获国家级教学成果奖特等奖、全国光学工程学科优秀博士学位论文指导教师等荣誉。
孙洪波，清华大学精密仪器系教授，精密测试技术及仪器全国重点实验室主任，国家级人才称号获得者。从事超快激光超精细特种制造领域研究，发表SCI论文400余篇，包括在Nature、Science等顶刊发表论文数十篇，论文4次入选中国光学十大进展。现为IEEE、OSA、SPIE、COS、CSOE Fellow，Nature出版集团杂志Light: Science &Applications执行主编、中国光学工程学会会刊PhotoniX共主编。现任中国光学学会微纳光学专业委员会主任、中国感光学会光学精密成型专业委员会主任等职。曾获2020年度国家自然科学奖二等奖、2023年度国家自然科学奖二等奖、全国创新争先奖、全国优秀博士学位论文指导教师、全国优秀科技工作者称号等荣誉。
北京时间2023年11月24日晚八点，iCANX Talks 第171期，清华大学孙洪波教授带来《飞秒激光三维精密制造的极限分辨率问题》，可扫码查看回放。
转载自：清华大学精密仪器系
✦
联系我们
✦
