Ultradünne Proben mit Oberflächen-Phonon-Polariton verstärken die photoinduzierte Dipolkraft

Eine neue Studie wurde von Prof. Xing-Hua Xia (State Key Lab of Analytical Chemistry for Life Science, School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University) geleitet. Bei der Analyse der photoinduzierten Infrarot-Kraftreaktion von Quarz beobachtete Dr. Jian Li eine einzigartige spektrale Reaktion, die sich vom Fernfeld-Infrarot-Absorptionsspektrum unterscheidet.

„Die photoinduzierte Kraftreaktion folgt eher dem Realteil als dem Imaginärteil der dielektrischen Funktion von Quarz.“ Dr. Li sagt. „Wir haben sofort mit dem Theoretiker Dr. Junghoon Jahng gesprochen, um die experimentellen Ergebnisse zu analysieren, und wir waren uns einig, dass es das einzigartige Oberflächen-Phononpolariton des Quarzes ist, das die photoinduzierte Dipolkraft extrem verstärkt.“

Ein Papier, das diese Ergebnisse beschreibt, ist veröffentlicht im Tagebuch National Science Review.

Um dieses Ergebnis zu verifizieren, verglich das Team die spektrale Reaktion von Quarz mittels photothermisch induzierter Resonanz (PTIR) und photoinduzierter Kraftmikroskopie (PiFM) und zeigte, dass die photoinduzierte Dipolkraft (PiDF) die photoinduzierten thermischen Kräfte (PiTF) von Quarz dominiert. Da PiDF im Vergleich zu PiTF (~z−3) einen ausgeprägteren Zusammenhang mit dem Abstand zwischen Spitze und Quarz (~z−4) zeigt, schlug Dr. Li einen allgemeinen Ansatz für die Nano-IR-Kontrastbildgebung von ultradünnen Proben vor, die darauf geladen wurden Quarz.

Es wird erwartet, dass die ultradünne Probe, die durch einen positiven Realteil der Permittivität (schwacher Oszillator) gekennzeichnet ist, schwache PiTF und PiDF in der Nähe ihrer Infrarotresonanz (IR) aufweist. Allerdings wird eine signifikante PiDF-Änderung in der Nähe der spitzeninduzierten Nahfeldresonanz des Quarzsubstrats erwartet.

Diese spektralen Unterschiede tragen zu den Kontrasten in der Nano-IR-Bildgebung bei. Bemerkenswert ist, dass die PiDF-Reaktion auf Quarz im Vergleich zur PiTF der Probe eine deutlichere Signalschwankung in Bezug auf die Probendicke aufweist. Bei ultradünnen Proben bietet die PiDF-Bildgebung auf Quarz einen entgegengesetzten Kontrast mit erhöhter Empfindlichkeit im Vergleich zur Nano-IR-Kontrastbildgebung mit dem PiTF der Probe.

Um die substratverstärkte Nano-IR-Kontrastbildgebung zu demonstrieren, verwendete das Team einen auf einem Quarzsubstrat vorbereiteten Polydimethylsiloxan (PDMS)-Keil. Die Ergebnisse liefern klare Beweise dafür, dass das PiDF für die empfindliche Nano-IR-Bildgebung ultradünner Proben unter Nanokavitätsgeometrie mit verbessertem Kontrast und verbesserter Empfindlichkeit eingesetzt werden kann.

Darüber hinaus wandten die Forscher die Nano-IR-Bildgebungsmethode an, um dünne kovalente organische Gerüstschichten und unterirdische Defekte unter Blockcopolymerfilmen sichtbar zu machen. Sie stellten die Hypothese auf, dass Benutzer durch die Auswahl geeigneter IR-Materialien, die Phononenpolaritonen/Reststrahlenbänder aufweisen, eine hochauflösende Nanobildgebung spezifischer Kristalle und Polymermoleküle sowie von Biomolekülen mit bekannten Schwingungsmodusfrequenzen erreichen könnten.