10 Mar

原子力显微镜案例分享 | Cypher系列AFM助力探究荧光碳量子点中的电荷转移

纳米碳量子点(CDs)具有十分卓越的特性,这使得它们在例如光学传感、光生伏特以及生物成像等一系列领域中有着巨大的应用前景。然而,为了成功地将这种零维纳米材料投入实际应用,我们仍需进一步理解其光致发光原理以及光致电荷的具体转移过程。

高分辨率AFM图像表明环状结构和棒状结构同时存在

为实现这一目的,来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的学者们对于碳点的光物理特性分别在其单一粒子水平以及整体(bulk)状态下进行了深入研究。这些碳点均通过一些分子进行了表面钝化,这些分子分别作为电子受体或电子给体。

在研究初期,研究人员通过透射电镜(TEM)对样品进行了表征,结果表明许多碳点团聚成了如下图所示的环状结构。然而通过TEM测得的颗粒直径与由动态光散射技术测得的结果并不一致,这很可能是由于TEM样品制备过程中引入的误差导致的。为了实现更高分辨率的表征以及更准确的颗粒尺寸测量,研究人员们决定使用牛津仪器Cypher系列原子力显微镜(AFM)对样品进行进一步的研究。Cypher的高分辨率成像结果表明环状结构与棒状结构同时存在。并且与TEM的结果相比,Cypher测得的环状结构其尺寸与形状都更均一。

左图:TEM测试图,可以看出环状结构 右图:AFM图像以及结构示意图

研究人员还使用了一系列其它技术并结合密度泛函理论(DFT)计算。实验结果表明形成什么样的结构是由许多实验变量决定的,诸如时间、颗粒浓度、以及氢键结合等。结合所有实验结果,研究人员认为碳点聚集态(bulk state)的光物理特性受到其形成的分层结构的影响。

以上发现有助于科研人员研究碳点光致发射的原理,甚至可能加速这些纳米材料在下一代光电子以及量子技术的使用。

Instrument used

牛津仪器Cypher系列原子力显微镜

上述研究成果充分体现了牛津仪器Cypher系列原子力显微镜的空间分辨率明显高于大部分传统AFM的特点。其卓越的性能不仅可以提升图像质量,也使获取高质量数据的过程变得十分容易。这可以帮助您的课题组更高效地获得高分辨率的数据。Cypher高性能的背后是牛津仪器Asylum Research部门所有科学家以及工程师们数十年的不懈努力以及不断追求。

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Cypher具有非常稳定的机械结构设计。对于AFM来说,最重要的机械设计特点就是连接样品与探针的机械回路的刚度。任何由外界因素导致的这一结构的相对运动都会降低图像质量。Cypher的整个机械回路都位于扫描器中,这使得这一回路变得很短且具有很强的刚度。这也是为什么Cypher可以实现小于15pm的高度噪音的重要原因,这一噪音水平甚至要小于其它常用AFM系统的一半。

扫描器在X\Y\Z三个方向的性能也是决定成像质量的一个重要因素。这一性能是由扫描器的机械设计、电子元件以及其集成的位置传感器共同决定的。Cypher的扫描器采用了整体直驱的设计增强了其刚度(共振频率),这使其具有更低的噪音,更快的速度并能更大程度上免疫外界的噪音源(比如楼体震动)。牛津仪器也是唯一使用线性差动变压器(LVDTs)在扫描器中作为位置传感器的公司。和传统的电容式传感器以及电阻应变式传感器相比,LVDTs具有更低的噪音、更小的漂移以及线性响应的特点,因此在出厂后不需要再次校准。Cypher的XY轴传感器噪音低于60pm,Z轴传感器噪音低于50pm,均处于业界领先水平,这也使得Cypher具有着高分辨率以及高准确度的卓越性能。

除此以外,AFM探针与偏转光学传感器也是决定仪器性能的重要因素。毕竟对于形貌以及各种物理特性的测试正是在探针与样品的相对运动过程中测得的。Cypher可搭载市场上商业化的最小的悬臂探针系统,这有助于实现更快的扫描速度以及更高的分辨率。使用这种超小悬臂要求设备配有可聚焦于偏转光学传感器上的小光斑激光。而Cypher是商业化AFM中唯一具有用户可自行更换的模块化激光光源的系统,用户可根据实验设计自行选择更换适合于小悬臂探针、普通探针,以及适合于成像或力谱技术的激光。

最终,系统中的电学元件同样是AFM成像性能的决定性因素。即使很小的电路噪音也可以对AFM成像造成很大的干扰。因此控制电路内的每一个模拟以及数字装置都经过了精心设计以及反复检查,以确保它们不会降低成像性能。

总而言之,AFM的性能是由上述各个因素综合决定的。而Cypher系列AFM在上述的每一点都进行了极大程度的优化,而这并不是简单依靠几行文字就可以充分描述的。因此我们鼓励您通过实际的实验结果来考量Cypher的性能,无论是到我们的Demo实验室参观,或是亲自在您实验室的仪器上进行实验,还者参考各种文献中发布的测试数据。

Techniques used

文中的样品是由分布于水中的经由电子受体和电子给体分子钝化后的碳点混合物通过滴涂法置于新鲜揭露的云母表面制得的。静置一晚干燥后,通过Cypher系列AFM的轻敲模式(tapping mode)在大气环境下对样品进行表征。由于Cypher具有卓越的空间分辨率,这使得对单独的环状以及棒状结构的准确分析成为了可能。

Citation: I. Srivastava, J. Khamo, S. Pandit et al., Influence of electron acceptor and electron donor on the photophysical properties of carbon dots: A comparative investigation at the bulk‐state and single‐particle level. Adv. Funct. Mater. 29, 1902466 (2019). https://doi.org/10.1002/adfm.2...

Note: The data shown here are reused under fair use from the original article, which can be accessed through the article link above.

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