背景
由首席科學(xué)家 Yousoo Kim 領(lǐng)導(dǎo)的日本理化學(xué)研究所表面與界面科學(xué)實驗室在納米尺度上進行表面和界面研究,直至單個原子和分子水平。拉曼光譜等光學(xué)技術(shù)是研究這些表面和新材料的寶貴工具。然而,拉曼不可能應(yīng)用于納米級材料,特別是對于低分析物計數(shù),因為衍射有限的空間分辨率和拉曼信號的非常弱的性質(zhì)。
該實驗室的博士后研究員 Rafael Jaculbia 使用掃描探針顯微鏡技術(shù)來提高拉曼光譜的空間分辨率。使用掃描隧道顯微鏡 (STM),由于掃描探針尖端的電場增強,可以增強拉曼信號,并且可以實現(xiàn)遠低于衍射極限的空間分辨率。該技術(shù)稱為尖端增強拉曼光譜 (TERS)。
在最近報道的一項研究中,該實驗室展示了 STM-TERS 的空間分辨率和單分子靈敏度低至 1 nm。該分子被放置在金屬基底上,以通過動態(tài)電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)進一步的拉曼增強,但通過將分子放置在幾個薄鹽原子層上來保持原始狀態(tài),以避免金屬基底的電子態(tài)與金屬基底的電子態(tài)雜化。
圖 1:單個 CuNc 分子的 STM-TERS 光譜與幾納米外的光譜的比較表明拉曼信號的起源位于該分子。分子的 TERS 映射圖像揭示了不同振動模式的結(jié)構(gòu)。
挑戰(zhàn)
盡管信號增強,但拉曼信號本質(zhì)上很弱,這是單分子STM-TERS實驗的挑戰(zhàn)之一。光譜系統(tǒng)需要足夠靈敏來檢測信號,并保持拉曼圖譜實驗的測量時間盡可能短。
另一個挑戰(zhàn)是 STM-TERS 光譜中的譜線寬度較小(< 5 cm-1),需要光譜儀具有足夠高的分辨率,同時保持足夠高的光通量以免丟失信號。我們喜歡等值面的高吞吐量和良好的背景減少效果。我們強烈推薦這樣的系統(tǒng)給從事各種拉曼光譜工作的人員,例如 TERS、共振拉曼、低頻拉曼等。
解決方案
對于測量的光譜檢測,實驗室使用PIXIS-100BR CCD相機與IsoPlane-320 Schmidt-Czerny Turner 光譜儀耦合。該相機的背照式深耗盡硅傳感器可在近紅外波長范圍內(nèi)進行非常靈敏的檢測,量子效率高達 95%。PIXIS 相機傳感器通過熱電冷卻至 -80?C 或更低,以減少熱激發(fā)和暗電流,因此即使需要幾分鐘積分時間的低光水平也可以檢測到。
IsoPlane-320 攝譜儀采用先進的光學(xué)設(shè)計,可提高 STM-TERS 測量的吞吐量、分辨率和靈敏度。IsoPlane 光學(xué)系統(tǒng)減少了光學(xué)像差,因此入射光子集中在較少的相機像素上,從而減少儀器對光譜線的展寬。
此外,隨著光子分布在更少的相機像素上,不僅信號增加,而且檢測到的暗電流也更少,因此測量結(jié)果將顯示更高的信噪比。此外,增加的輸入孔徑可以從實驗裝置中收集大量信號。
在最近的測量中,Jaculbia 博士觀察了萘酞菁銅 (CuNc) 的單分子,并以亞納米分辨率對分子進行了共振 STM-TERS 和 TERS 測繪。在共振條件下,STM-TERS 映射揭示了分子的振動對稱性,這在具有不同能量的不同振動模式的壯觀圖像中得到了證明。
高分辨率STM-TERS技術(shù)可用于新材料和材料新功能的發(fā)現(xiàn)。RIKEN實驗室未來將使用該系統(tǒng)進一步測量單分子以及二維材料。
審核編輯 黃宇
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