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(gè)數(shù)量級(jí)，難以在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量。基于力的納米級(jí)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(guò)直接成像其固有振動(dòng)模式（材料的“指紋”身份）來(lái)研究樣品納米尺度信息。 據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，南京大學(xué)夏興華教授、李劍副研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種利用襯底的表面聲子極化激元來(lái)增強(qiáng)納米紅外成像中光生偶極力響應(yīng)的方法，進(jìn)而實(shí)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(qiáng)近場(chǎng)光生力響應(yīng)中的光生偶極力，使其超過(guò)襯底和樣品的光熱膨脹力。基于此，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于襯底表面聲子極化激元增強(qiáng)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(yàn)證了該方法在超薄樣品中成像的靈敏度和對(duì)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(duì)比成像

隨后，研究人員將該方法應(yīng)用于層狀共價(jià)有機(jī)框架材料和嵌段共聚物亞表面缺陷的可視化，實(shí)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(jià)有機(jī)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(xiàng)研究展示了一種襯底增強(qiáng)的納米紅外對(duì)比成像技術(shù)，通過(guò)在聲子極化共振附近實(shí)現(xiàn)強(qiáng)增強(qiáng)的光生偶極力。這項(xiàng)研究主要通過(guò)選擇具有低熱膨脹系數(shù)、吸收系數(shù)或熱擴(kuò)散率等低熱性能的襯底材料來(lái)限制熱膨脹，從而增強(qiáng)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(duì)于聲子極化材料對(duì)納米級(jí)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