手机版|
二维码|
如果你已经看过我上一篇介绍低电流STM成像的短文[i]，那么那些HOPG上钴和镍八乙基卟啉（CoOEP 和NiOEP）自组装二维晶格子的高分辨STM图像一定会令你印象深刻。Roger也是一样，在看到那些图片之后，他向我建议可以尝试使用Cypher AFM的轻敲模式（调幅AC模式）来代替STM观察CoOEP的 晶格，因为我们知道Cypher AFM在空气中的成像质量相当稳定。
当我把这个想法告诉Kerry Hipps教授时，他第一反应是“这不可能！”。我接着跟他说： “我非常确定这个是可行的。” 好吧，我承认我的倔强和执着，所以无论如何，我都要尝试一下这个“疯狂”的想法。我选择了一个尖锐，敏捷，硬度中等，悬臂为硅材料的镀金探针（FS-1500AuD探针）。 它的针尖半径为Rtip = 10± 2 nm，空气中的共振频率为fair≈1.5MHz，弹性系数为k≈6N / m。您也可以在我们的探针库找到它.当我将针尖接近样品表面时，样品表面的苯基辛烷薄层会立即吸附在探针悬臂上（见图1）。在这样一种气相-液相混合振荡介质中，针尖的共振频率会立即降到0.66 MHz。这种情况下的溶液需要大约10分钟之后才达到平衡，而在此之后，即使探针在表面移动也不会再次影响到溶液的稳定性。
图1. 苯基辛烷/ HOPG界面处干涉条纹的时间序列图像。这些图像是通过Cypher ES顶视光学系统捕获的。当溶液吸附到AFM悬臂上时，苯基辛烷弯月面起到衍射器的作用而产生出干涉条纹。
由于BlueDrive出色的光热激发稳定性，在平衡溶液中调谐悬臂后，我能够将自由驱动振幅和设定点分别稳定在~1.44 nm（90 mV）和~0.34 nm（21 mV）[iii] 。瞧瞧图2中的图像，CoOEP晶格渐渐在视野中显现出来，这里观察到的的~1.4 nm的晶格的分子间距和预期的理论值一摸一样！我向 Hipps教授展示了这组图片，他不得不惊叹地说一句 “Wow！”
图2. 低振幅轻敲模式下CoOEP的分子晶格分辨率图像。 （A）扫描边长为100 nm。 （B）沿（A）中的白线的截面，从中可以清楚的观察到CoOEP分子有规则间隔。 （C）扫描边长为100nm 的3D图像。
将图2继续放大后（见图3），我确信自己可以在一部分相位图中看到卟啉环结构。您可能会注意到的是，相比上一篇短文中的STM图像，这里的测量结果似乎对样品表面的污染更加敏感。我们可以看到样品表面上有一些无定形的团聚物，这些污染物会和扫描过程中的针尖相互作用，使扫描的图像发生了一些变化。这意味着在AFM测量之前，您务必对样品表面，探针和探针支架进行全方位的清洁。
图3.在轻敲模式下CoOEP晶格的AFM放大图像。 （A）扫描边长为20纳米的形貌图。 （B）扫描边长为20纳米的相位图。注意卟啉环结构在图像的上部清晰可见。
这些数据让我想起了纽卡斯尔大学的Rob Atkin教授，诺丁汉大学的Peter Beton教授和南京大学的王欣然教授曾经发表的一些关于使用Cypher 在大气环境下进行的AFM的研究 [iv-vi]。这里我来具体介绍一下这些研究的成果。第一项研究[iv]阐明了在恒电位控制偏压下石墨（HOPG）表面的离子液体（EMIm + TFSI-）的纳米结构（见图4A）。此外，施加的偏压在开路电位附近有规律地变化，同时分子Stern层作为偏压的函数（以及离子组分的函数，例如Li +和Cl-）进行了重新整合。第二项研究[v]主要集中在观察吸附在六方氮化硼（hBN）和其他样品表面上的5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）的超分子结构，及分析该吸附现象对TCPP分子的光电子特性的影响。图4B显示了hBN上TCPP的正方晶格结构。第三项研究[vi]探讨了HOPG和hBN上高流动性的二辛基苯并噻吩并苯并噻吩（C8-BTBT）的少层二维分子晶体的范德瓦尔外延结构，这种材料可用于实现有机场效晶体管。图4C显示了在hBN上生长的C8-BTBT晶格的高分辨率形貌。
图4. 2D分子晶格的AFM成像。 （A）吸附在HOPG基片上的纯EMIm + TFSI-Stern层的相位图; 扫描边长为30nm，在块体EMIm + TFSI-离子液体中成像（参见参考文献[iv]）。 （B）组装在hBN基片上的TCPP的正方晶格的形貌图像; 扫描边长为50nm，在空气中成像（参见参考文献[v]）。 （C）在hBN基片上生长的C8-BTBT晶格的形貌图像; 扫描边长为10nm，在空气中成像（参见参考文献[vi]）。
References
[i] April Current Amplifiers Bring May Ultra-Low-Current STM
[ii] Learn more about Cypher here: (a) Learn more about blueDrive at and at
(b) A. Labuda, K. Kobayashi,
Y. Miyahara, and P. Grütter, Retrofitting an atomic force microscope with
photothermal excitation for a clean cantilever response in low Q
environments, Review of Scientific Instruments, 2012 83, 053703.
A. Elbourne, S. McDonald, K. Vo?chovsky, F. Endres, G. G. Warr, and R.
Atkin, Nanostructure of the Ionic Liquid–Graphite Stern Layer, ACS Nano,
2015, 9(7), 7608–7620. V. V. Korolkov, S. A. Svatek, A. Summerfield, J. Kerfoot, L. Yang, T. Taniguchi,
K. Watanabe, N. R. Champness, N. A. Besley, and P. H. Beton, van der Waals-
Induced Chromatic Shifts in Hydrogen-Bonded Two-Dimensional Porphyrin
Arrays on Boron Nitride, ACS Nano, 2015, 9(10), 10347–10355.
D. He, Y. Zhang, Q. Wu, R. Xu, H. Nan, J. Liu, J. Yao, Z. Wang, S. Yuan, Y. Li, Y.
Shi, J. Wang, Z. Ni, L. He, F. Miao, F. Song, H. Xu, K. Watanabe, T. Taniguchi, J.-B.
Xu & X. Wang, Two-dimensional quasi-freestanding molecular crystals for
high-performance organic field-effect transistors, Nature Communications,
2014, 5:5162, 1–7. 转载文章前请与牛津仪器联系，未获许可谢绝转载，谢谢。
