Die räumlich aufgelöste Infrarotspektroskopie im Nanobereich hat sich als hervorragendes Werkzeug für die Charakterisierung von 2D-Materialien erwiesen, da sie die optischen Modi dieser Materialien (siehe Abbildung, a) und chemische Heterogenität mit nanoskaliger Auflösung abbilden kann (siehe Abbildung, b) [1,2]. Derzeit gibt es zwei Ansätze für das mittlere IR im Nanobereich, die ergänzende Informationen liefern:

  1. Die photothermisch induzierte Resonanz (PTIR, siehe Abbildung, c) ermöglicht einen direkten, modellfreien Zugang zur lokalen Absorption während
  2. Die optische Rasternahfeldmikroskopie (s-SNOM, siehe Abbildung, d) probenabhängige abhängige Änderungen der Polarisierbarkeit der Rastersondenspitze, die durch von der Probengeometrie abhängige Modelle in optische Konstanten umgewandelt werden können durch von der Probengeometrie abhängige Modelle.

Wie wir kürzlich gezeigt haben, sollten PTIR und s-SNOM an resonanten nanoskaligen Strukturen durchgeführt werden, um sie vollständig zu charakterisieren. Wie beide Techniken unterschiedliche Anforderungen an den Messaufbau stellen (z. B. gepulster Laser mit niedriger Wiederholrate Laser vs. Dauerstrichlaser; Kontakt-AFM für höchste Empfindlichkeit vs. Tapping-Mode-AFM), ist eine gleichzeitige Verwendung beider Techniken derzeit nicht möglich.

a) Hyperbolische Phonon-Polariton Moden in hexagonalem BN [3]. b) s-SNOM Spektra von MoS2 auf SiO2 [1]. c) Skizze von s-NOM Signalgenerierung d) PTIR Signalgenerierung - die lokale Absorption wird mittels Ablenkung des Cantilevers detektiert [3].

© Bernhard Lendl

a) Hyperbolische Phonon-Polariton Moden in hexagonalem BN [3]. b) s-SNOM Spektra von MoS2 auf SiO2 [1]. c) Skizze von s-NOM Signalgenerierung d) PTIR Signalgenerierung - die lokale Absorption wird mittels Ablenkung des Cantilevers detektiert [3].

Ziele

Wir werden ein neues Werkzeug für gleichzeitige PTIR- und s-SNOM-Messungen entwickeln, das auf einem breit durchstimmbaren Quantenkaskadenlaser mit externem Resonator (EC-QCL), der im gepulsten Modus betrieben wird. Der angestrebte Weiterentwicklung der NanoIR-Technologie soll die spektrale Abdeckung deutlich erhöhen (gepulste Quellen decken einen breiteren Bereich ab als CW-Quellen) und die Abbildungsgeschwindigkeit deutlich erhöhen. Die Bildfusion beider optischer Bildgebungskanäle wird eine einfache Auswertung der spektralen Nahfeldbilder ermöglichen. Unser Instrument wird nanoskalige Bauteile charakterisieren von Weber und Eder hergestellten Bauelemente charakterisieren, um das Vorhandensein und die Zusammensetzung von Defekten zu bestimmen.

Methoden

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung des Tools liegt in der Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung zur Extraktion der gepulsten Laser s-SNOM-Signale. Zur Lösung dieses Problems wird FPGA-Technologie eingesetzt. Während s-SNOM mit gepulsten Lasern bereits demonstriert wurde, erfordern die derzeitigen Ansätze eine Off-Line-Datenverarbeitung und ein wiederholtes Abtasten der Probe, um den komplexen Spitzenstreuungskoeffizienten zu erfassen.

Kollaborationen

Mit Hilfe der IR-Spektroskopie im Nanobereich werden die von Holzer und Marchetti-Deschmann funktionalisierten MoS2-Flakes analysiert, sowie strukturelle Veränderungen an durch Ioneneinschläge strukturierten Flocken (Wilhelm), insbesondere die Adsorption von Molekülen wie Kohlenwasserstoffen. Wir vermessen räumlich aufgelöste s-SNOM- und PTIR-Daten für katalytische Zentren (Eder und Parkinson) und räumlich aufgelöste Stromkarten von Memristor-Bauelementen für Mueller.

Betreuer

Bernhard Lendl ist analytischer Chemiker mit Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer Analysetechniken auf der Grundlage der Schwingungsspektroskopie. Seine Gruppe hat auf Rastersonden basierende Bildgebungsverfahren im Nanomaßstab entwickelt. In Zusammenarbeit mit der Centrone-Gruppe am National Institute for Standards and Technology (NIST) hat Lendl die Empfindlichkeit von 2 zmol Cytarabin in einem Vesikel zur Medikamentenabgabe nachgewiesen. Georg Ramer unterstützt dieses Projekt. Er verfügt über langjährige Erfahrung in der IR-Spektroskopie im Nanomaßstab und der allgemeinen Materialcharakterisierung im Nanomaßstab, einschließlich 2D-Materialien [3], der Charakterisierung des Stromflusses von Memristoren im Nanomaßstab [4] und der thermischen und chemischen Charakterisierung von metallorganischen Gerüsten.

Website

Gruppe Prof. Lendl

Literatur

  1. P. Patoka, G. Ulrich, A. E. Nguyen, L. Bartels, P. A. Dowben, V. Turkowski, T. S. Rahman, P. Hermann, B. Kästner, A. Hoehl, G. Ulm, and E. Rühl. Nanoscale plasmonic phenomena in CVD-grown MoS2 monolayer revealed by ultra-broadband synchrotron radiation based nano-FTIR spectroscopy and near-field microscopy. Optics Express 24, 1154–1164 (2016), DOI: 10.1364/OE.24.001154.
  2. J. J. Schwartz, H.-J. Chuang, M. R. Rosenberger, S. V. Sivaram, K. M. McCreary, B. T. Jonker, and A. Centrone. Chemical Identification of Interlayer Contaminants within van der Waals Heterostructures. ACS Applied Materials & Interfaces 11, 25578–25585 (2019). DOI: 10.1021/acsami.9b06594.
  3. G. Ramer, M. Tuteja, J. R. Matson, M. Davanco, T. G. Folland, A. Kretinin, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. S. Novoselov, J. D. Caldwell, and A. Centrone. High-Q dark hyperbolic phonon-polaritons in hexagonal boron nitride nanostructures. Nanophotonics (2020), DOI: 10.1515/nanoph-2020-0048.
  4. J. M. Goodwill, G. Ramer, D. Li, B. D. Hoskins, G. Pavlidis, J. J. McClelland, A. Centrone, J. A. Bain, and M. Skowronski. Spontaneous current constriction in threshold switching devices. Nature Comm. 10, 1–8 (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-09679-9.