Une nouvelle approche de microscopie des nanomatériaux appelée Pulsed Force Kelvin Probe Force Microscopy (PF-KPFM), permet des mesures inférieures à 10 nanomètres de la fonction de travail et du potentiel de surface dans un balayage AFM à un seul passage. Les résultats ont été publiés dans deux articles connexes dans ACS Nano et Angewandte Chemie Édition Internationale .

Alors que la technologie se rétrécit, le besoin de caractériser les propriétés des très petits matériaux – mesurés en nanomètres (1 nanomètre =1 milliardième de mètre) – est devenu de plus en plus important. Les nanomatériaux mesurant entre 1 et 20 nanomètres sont prometteurs pour une utilisation dans les appareils électroniques de nouvelle génération, cellules solaires, technologie laser, et chimiques et biocapteurs, pour n'en nommer que quelques-uns. Pour l'échelle, la largeur d'un cheveu humain est de 75, 000 nanomètres.

Pour comprendre le potentiel de surface des nanomatériaux, l'outil nanoscientifique le plus couramment utilisé est la Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), qui est une technique basée sur la microscopie à force atomique (AFM) qui mesure la fonction de travail et le potentiel de surface. Malheureusement, KPFM a ses limites en raison de son utilisation de la tension alternative pour charger la sonde AFM.

"Chaque technique KPFM fonctionne sur le même paradigme de mesure :la tension alternative est utilisée pour charger complètement une sonde AFM, produisant ainsi une force électrostatique détectable pour l'acquisition d'images, " explique Xiaoji Xu, professeur assistant au département de chimie de l'université Lehigh. "La surcharge de la sonde avec des charges force une limite sur la résolution spatiale, puisque les charges ne se limitent pas au sommet de la sonde AFM. Au lieu, les charges excédentaires occupent tout le porte-à-faux et contribuent au signal."

Maintenant, Xu et son étudiant diplômé Devon S. Jakob ont introduit un tout nouveau paradigme de mesure basé sur l'alignement sur les niveaux de Fermi. Alors que les méthodes KPFM traditionnelles produisent des images avec une résolution spatiale de 30 à 100 nanomètres, la nouvelle méthode Xu Research Group, appelé microscopie à force de sonde Kelvin à force pulsée (PF-KPFM), permet des mesures inférieures à 10 nanomètres de la fonction de travail et du potentiel de surface dans un balayage AFM à un seul passage. Leurs conclusions ont été publiées dans un article de ACS Nano : "Microscopie à force de sonde Kelvin à force pulsée."

"En microscopie à force de sonde Kelvin à force pulsée, nous avons supprimé le besoin de la tension alternative en mettant en œuvre un circuit personnalisé d'un transistor à effet de champ entre la pointe et l'échantillon qui agit comme un interrupteur binaire, " dit Xu. " Lorsque l'interrupteur est allumé, le circuit agit comme un simple fil, permettant aux charges de passer entre la pointe et l'échantillon. Une petite quantité de charges migre spontanément entre la pointe et l'échantillon en fonction de la différence relative de leurs niveaux de Fermi intrinsèques. Lorsque l'interrupteur est éteint, le circuit ne laisse pas passer les charges, et agit comme un condensateur pour réabsorber les charges de la pointe et de la région de l'échantillon."

Le PF-KPFM fonctionne également exclusivement en mode force pulsée, selon Xu. En utilisant le mode force pulsée, il dit, Les mesures PF-KPFM peuvent être obtenues avec précision à de très petites distances pointe-échantillon, où la force électrique est grande, permettant de révéler de petites hétérogénéités d'échantillons.

« La prochaine étape logique était de combiner PF-KPFM avec la microscopie infrarouge à force de crête (PFIR), une technique d'imagerie infrarouge inventée dans notre laboratoire, puisque les deux techniques utilisent le mode force pulsée, " dit Xu. " La technique résultante, nommé PFIR-KPFM, fournit topographique, mécanique, chimique, et informations électriques sur <10 nm de résolution spatiale nanométrique."

Donc, en plus d'obtenir des améliorations significatives dans la mesure du potentiel électrique dans les nanomatériaux dans un balayage AFM à un seul passage, Le PF-KPFM peut être associé à la microscopie (PFIR) pour des mesures corrélatives à haut débit, selon les chercheurs. Cette étude de suivi est décrite dans un article, "Peak Force Infrared ? Kelvin Probe Force Microscopy, " à venir dans Angewandte Chemie Édition Internationale .

"La force pulsée KPFM est la première technique KPFM à véritablement mettre en œuvre le mode de force pulsée de l'AFM pour la caractérisation du potentiel de surface à l'échelle nanométrique, et la première technique KPFM à être associée à une détection infrarouge simultanée dans un même balayage, " dit Xu.

L'importance de mesurer avec précision les propriétés nanoélectriques des matériaux est d'une grande portée à la fois dans les universités et dans l'industrie, selon les chercheurs. En raison de la taille de plus en plus petite des dispositifs à semi-conducteurs, PF-KPFM peut être particulièrement utile pour les entreprises technologiques, car la haute résolution spatiale du PF-KPFM révèle des caractéristiques trop petites pour les autres techniques KPFM. De la même manière, ils disent, PFIR-KPFM sera bénéfique pour révéler les corrélations entre l'hétérogénéité chimique, structure, et les propriétés électriques des composants de cellules solaires fabriqués en laboratoire.

"Finalement, " dit Xu, "nous espérons que notre invention ouvrira la porte à la caractérisation de nouveaux matériaux, et aider à ouvrir la voie à des appareils liés à l'énergie plus efficaces."

Le groupe de recherche de Xu développe de nouvelles méthodes et instruments pour la mesure chimique et l'imagerie à l'échelle nanométrique avec Résolution spatiale <10 nm. Ils utilisent deux méthodes d'imagerie infrarouge à l'échelle nanométrique inventées par Xu :la microscopie optique à champ proche de type diffusion de force maximale (PF-SNOM) et la microscopie infrarouge à force maximale (PFIR). Ces techniques permettent aux chercheurs d'étudier des objets nanométriques auparavant inaccessibles avec des informations spectroscopiques multimodales proches de la limite inférieure de l'échelle spatiale.

Xu a été nommé chercheur Sloan en 2020. Ce prix prestigieux, financé par la Fondation Alfred P. Sloan, place Xu parmi "les chercheurs scientifiques les plus prometteurs qui travaillent aujourd'hui". En outre, a été nommé jeune chercheur Beckman, gagnant une bourse prestigieuse décernée par la Fondation Arnold et Mabel Beckman pour « les jeunes membres les plus prometteurs du corps professoral au début de leur carrière universitaire dans les sciences chimiques et de la vie ».