Области применения PiFM микроскопии: одномерные и двумерные материалы

Наномасштабная идентификация слоев MoS₂ и дефектов

Слои в MoS₂ могут быть идентифицированы с помощью фотолюминесценции (PL) или рамановской спектроскопии. Однако оба методы ограничены дифракционным пределом оптики дальнего поля. Здесь мы демонстрируем, что PiFM метод может обнаруживать количество слоев, а также связанные с дефектами сигналы с исключительной чувствительностью и пространственным разрешением. Анализируемый ниже образец представляет собой расслоенную пленку MoS₂, перенесенную на кварцевую подложку. Измерения PiFM проводились при длине волны возбуждения 488 нм.

Различные слои MoS₂ исследуются с помощью рамановской и PL методов анализа. Данная область также успешно анализируется с помощью PiFM и далее измеряются постепенно увеличиваемые зоны для получения большей информации о структуре образца. Крайнее изображение (500 × 500 нм) также продолжает исследоваться ниже.

Тогда как топографическое изображение довольно размыто и малоинформативное ввиду расслоения пленки, PiFM изображение является вполне приемлемым и имеет хорошее отношение сигнал/шум. Когда PiFM изображение отображается в цветовой шкале, то наблюдаются отчетливые области, закрашенные одинаковыми цветами, где каждый цвет отображает количество слоев. Руководствуясь результатами PL и рамановского анализа этой же области, мы можем видеть, что после первого слоя каждый дополнительный слой вносит ≈ 0.15 мВ в PiFM сигнал – это вероятно указывает на то, анализируемая зона на один слой толще окружающей области. Также предполагается, что «горячие точки» на PiFM изображении связаны с дефектами в пленке MoS₂.

Комбинированная химическая карта PiFM сигнала может быть наложена поверх трехмерной топографии для более четкого отображения свойств исследуемого материала.

Анализ роста монослоя MoSe₂

Поскольку PiFM измеряет поляризуемость образца, образец не обязательно должен находиться в резонансе для получения PiFM сигнала. Практически для всех образцов PiFM создает отличный контраст между различными материалами из-за их разного оптического отклика на заданной длине волны. В этом примере показано, как PiFM способна обнаруживать монослой материала, который трудно различить на топографии.

Рост зерен наблюдается при нагревании MoSe₂ лазером в присутствии фосфора. В то время как АСМ топография показывает случайную зернистую структуру, сигнал PiFM показывает, что треугольная область, окружающая каждое зерно, имеет очень слабую PiFM интенсивность, предполагающую наличие тонкого слоя материала с уникальными оптическими свойствами. Треугольный слой представляется выровненным относительно гексагональной решетки подслоя MoSe₂ (длина волны возбуждения 12.2 мкм; размер изображения 1 × 1 мкм).

Треугольные области на PiFM изображениях могут быть скоррелированы с элементами топографии, если проводить сравнение по контуру PiFM (см. области, обведенные красным цветом). Используя изображения соответствия (справа), треугольные области на топографии становятся более узнаваемыми. Анализ поперечного сечения топографии (вдоль желтой линии на первом PiFM изображении) показывает, что треугольный слой имеет толщину около 0.5 нм, что позволяет предположить, что треугольные области могут быть монослоем материала.

Конфокальное рамановское и PiFM картирование графена

Ниже представлены результаты измерения образцов графена методом картирования. В ходе рамановских измерений использовался объектив с числовой апертурой 0.9, мощность лазерного излучения на образце составляла 0.9 мВт, а время сбора сигнала 10 сек/пиксель.

Комбинированная химическая карта PiFM сигнала может быть наложена поверх трехмерной топографии для более четкого отображения свойств исследуемого материала.