Un nuevo enfoque de microscopía de nanomateriales llamado Microscopía de fuerza de sonda Kelvin de fuerza pulsada (PF-KPFM), permite mediciones de menos de 10 nanómetros de la función de trabajo y el potencial de superficie en un escaneo AFM de un solo paso. Los hallazgos se han publicado en dos artículos relacionados en ACS Nano y Edición internacional Angewandte Chemie .

A medida que la tecnología se encoge, la necesidad de caracterizar las propiedades de materiales muy pequeños, medidos en nanómetros (1 nanómetro =mil millonésima parte de un metro), se ha vuelto cada vez más importante. Los nanomateriales que miden entre 1 y 20 nanómetros son prometedores para su uso en dispositivos electrónicos de próxima generación, células solares, tecnología láser, y químicos y biosensores, para nombrar unos pocos. Por escala, el ancho de un cabello humano es 75, 000 nanómetros.

Para comprender el potencial de superficie de los nanomateriales, la herramienta de nanociencia más utilizada es la microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM), que es una técnica basada en microscopía de fuerza atómica (AFM) que mide la función de trabajo y el potencial de superficie. Desafortunadamente, KPFM tiene sus limitaciones debido al uso de voltaje CA para cargar la sonda AFM.

"Todas las técnicas de KPFM funcionan con el mismo paradigma de medición:el voltaje de CA se utiliza para cargar completamente una sonda AFM, produciendo así una fuerza electrostática detectable para la adquisición de imágenes, "explica Xiaoji Xu, profesor asistente en el Departamento de Química de la Universidad de Lehigh. "Sobrecargar la sonda con cargas obliga a limitar la resolución espacial, ya que las cargas no se limitan al vértice de la sonda AFM. En lugar de, las cargas en exceso ocupan todo el voladizo y contribuyen a la señal ".

Ahora, Xu y su estudiante graduado Devon S. Jakob han introducido un paradigma de medición completamente nuevo basado en la alineación en los niveles de Fermi. Mientras que los métodos tradicionales de KPFM producen imágenes con una resolución espacial de 30 a 100 nanómetros, el nuevo método del Grupo de Investigación Xu, llamado Microscopía de fuerza de sonda Kelvin de fuerza pulsada (PF-KPFM), permite mediciones de menos de 10 nanómetros de la función de trabajo y el potencial de superficie en un escaneo AFM de un solo paso. Sus hallazgos se han publicado en un artículo en ACS Nano: "Microscopía de fuerza de sonda Kelvin de fuerza pulsada".

"En Microscopía de fuerza de sonda Kelvin de fuerza pulsada, Eliminamos la necesidad de voltaje de CA implementando un circuito personalizado de un transistor de efecto de campo entre la punta y la muestra que actúa como un interruptor binario, "dice Xu". Cuando el interruptor está encendido, el circuito actúa como un simple cable, permitiendo que las cargas pasen entre la punta y la muestra. Una pequeña cantidad de cargas migra espontáneamente entre la punta y la muestra en función de la diferencia relativa en sus niveles intrínsecos de Fermi. Cuando el interruptor está apagado, el circuito no permite que pasen las cargas, y actúa como un condensador para reabsorber las cargas de la punta y la región de la muestra ".

El PF-KPFM también opera exclusivamente en el modo de fuerza pulsada, según Xu. Al usar el modo de fuerza pulsada, él dice, Las mediciones de PF-KPFM se pueden obtener con precisión a distancias muy pequeñas entre la punta y la muestra, donde la fuerza eléctrica es grande, permitiendo que se revelen pequeñas heterogeneidades de la muestra.

"El siguiente paso lógico fue combinar PF-KPFM con microscopía Peak Force Infrared (PFIR), una técnica de imágenes infrarrojas inventada en nuestro laboratorio, dado que ambas técnicas utilizan el modo de fuerza pulsada, "dice Xu." La técnica resultante, llamado PFIR-KPFM, proporciona topografia, mecánico, químico, e información eléctrica en <10 nm de resolución espacial nanométrica ".

Entonces, además de lograr mejoras significativas en la medición del potencial eléctrico en nanomateriales en un escaneo AFM de un solo paso, PF-KPFM se puede combinar con microscopía (PFIR) para mediciones correlativas de alto rendimiento, según los investigadores. Este estudio de seguimiento se describe en un artículo, "¿Pico de fuerza infrarroja? Microscopía de fuerza de sonda Kelvin, "próximamente en Edición internacional Angewandte Chemie .

"La fuerza pulsada KPFM es la primera técnica de KPFM en implementar verdaderamente el modo de fuerza pulsada de AFM para la caracterización del potencial de superficie a nanoescala, y la primera técnica KPFM que se combina con la detección de infrarrojos simultánea en el mismo escaneo, "dice Xu.

La importancia de medir con precisión las propiedades nanoeléctricas de los materiales es de gran alcance tanto en la academia como en la industria. según los investigadores. Debido al tamaño cada vez más pequeño de los dispositivos semiconductores, PF-KPFM puede ser especialmente útil para empresas de tecnología, ya que la alta resolución espacial de PF-KPFM revela características que son demasiado pequeñas para otras técnicas de KPFM. Similar, ellos dicen, PFIR-KPFM será beneficioso para revelar las correlaciones entre heterogeneidad química, estructura, y propiedades eléctricas de los componentes de células solares fabricados en laboratorio.

"Por último, "dice Xu, "esperamos que nuestro invento abra la puerta a la caracterización de nuevos materiales, y ayudar a allanar el camino para dispositivos relacionados con la energía más eficientes ".

El grupo de investigación de Xu desarrolla nuevos métodos e instrumentos para la medición química y la obtención de imágenes a nanoescala con <10 nm de resolución espacial. Emplean dos métodos de obtención de imágenes a nanoescala de infrarrojos inventados por Xu:microscopía óptica de campo cercano de tipo dispersión de fuerza máxima (PF-SNOM) y microscopía infrarroja de fuerza máxima (PFIR). Estas técnicas permiten a los investigadores estudiar objetos a nanoescala previamente inaccesibles con información espectroscópica multimodal cercana al límite inferior de la escala espacial.

Xu fue nombrado becario de investigación Sloan 2020. Este prestigioso premio, financiado por la Fundación Alfred P. Sloan, coloca a Xu entre "los investigadores científicos más prometedores que trabajan en la actualidad". Adicionalmente, fue nombrado investigador joven de Beckman, obteniendo una prestigiosa subvención otorgada por la Fundación Arnold y Mabel Beckman para "los profesores jóvenes más prometedores en las primeras etapas de sus carreras académicas en las ciencias químicas y de la vida".