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多功能顯微鏡助力一篇AFM！3D納米幾何結(jié)構(gòu)新突破
論文題目：Spectral Tuning of Plasmonic Activity in 3D Nanostructures via High-Precision Nano-Printing
發(fā)表期刊：Advanced Functional Materials IF: 19.924
DOI: 10.1002/adfm.202310110
【引言】
等離子體納米顆粒由于具有特殊的光學(xué)特性被廣泛應(yīng)用于光電器件、化學(xué)和生物傳感器等領(lǐng)域。若想調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)的等離子效應(yīng)，則需要準(zhǔn)確地制備出具有特定幾何形狀的3D納米結(jié)構(gòu)。目前，等離子納米結(jié)構(gòu)主要采用納米顆粒或納米顆粒陣列，通過納米狹縫自組裝法等手段，制備相應(yīng)的等離子體納米結(jié)構(gòu)。可是，在制備等離子體納米結(jié)構(gòu)的過程中，由于受到了光刻等技術(shù)手段的限制，所制備的納米結(jié)構(gòu)多為2D平面結(jié)構(gòu)。對(duì)于制備具有準(zhǔn)確幾何形狀的3D等離子體納米結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究尚屬空白。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，格拉茨技術(shù)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)提出了基于聚焦電子束誘導(dǎo)沉積（Focused Electron Beam Induced Deposition，F(xiàn)EBID）方法制備具有準(zhǔn)確納米尺度3D幾何結(jié)構(gòu)的等離子體納米結(jié)構(gòu)。同時(shí)，作者通過FusionScope多功能顯微鏡和透射電鏡（TEM）對(duì)相應(yīng)的3D納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位幾何尺寸的表征。然后，使用掃描透射電子顯微鏡的電子能量損失譜儀（STEM-EELS）對(duì)所制備的3D納米結(jié)構(gòu)的等離子性能進(jìn)行表征。所測(cè)量的結(jié)果與相關(guān)模擬計(jì)算結(jié)果相比，兩者結(jié)果相互吻合，證明了通過FEBID的方法制備3D等離子體納米結(jié)構(gòu)的可行性。相關(guān)工作以《Spectral Tuning of Plasmonic Activity in 3D Nanostructures via High-Precision Nano-Printing》為題在SCI期刊《Advanced Functional Materials 》上發(fā)表。
本文使用的FusionScope多功能顯微鏡創(chuàng)新性地將SEM和AFM技術(shù)深度融合，利用SEM進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、精準(zhǔn)導(dǎo)航AFM針尖，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間、同一樣品區(qū)域和相同條件下的SEM&AFM原位精準(zhǔn)定位與測(cè)量；測(cè)量時(shí)也可以實(shí)時(shí)觀察AFM懸臂的尖丶端，在不需要轉(zhuǎn)移樣品的情況下，原位進(jìn)行80° AFM與樣品臺(tái)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，對(duì)幾乎所有樣品（包括復(fù)雜樣品）均可以實(shí)現(xiàn)無視野盲區(qū)觀測(cè)；其豐富的功能選件如力曲線、導(dǎo)電原子力顯微鏡（C-AFM）和磁力顯微鏡（MFM）以及EDS能譜儀，可有效實(shí)現(xiàn)多維度同區(qū)域的高級(jí)測(cè)量。本文將簡(jiǎn)要闡述FusionScope多功能顯微鏡對(duì)不同平面結(jié)構(gòu)的等離子體樣品觀測(cè)結(jié)果。
圖1. FusionScope多功能顯微鏡
【圖文導(dǎo)讀】
圖2. 制備、清除和3D加工能力展示。（a）氣體注入系統(tǒng)（GIS）將金屬氣體前驅(qū)物分子（Me2(acac)Au(III)）注入到基底附近，利用聚焦電子束形成在基底上形成沉積。（b-g）展示了FEBID制備復(fù)雜構(gòu)型的3D納米結(jié)構(gòu)的能力。（h）運(yùn)用聚焦電子束去除碳的過程。
圖3. 不同平面結(jié)構(gòu)的等離子體測(cè)量結(jié)果。（a）利用FusionScope多功能顯微鏡的原位AFM功能測(cè)量的在制備后和清除后的微納結(jié)構(gòu)變化區(qū)別。（b）通過原位AFM測(cè)量的在去除前后所制備納米結(jié)構(gòu)的體積變化。（c）部分去除樣品的STEM-EELS能譜。（d-l）不同設(shè)計(jì)下的等離子體測(cè)量結(jié)果。
圖4. 利用FusionScope多功能顯微鏡獲取用于模擬的數(shù)據(jù)。（a-b）利用FusionScope多功能顯微鏡中的SEM對(duì)AFM進(jìn)行引導(dǎo)，在放置在TEM網(wǎng)格上的Au納米線進(jìn)行測(cè)量。（c）對(duì)FusionScope所獲得的數(shù)據(jù)和TEM所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證。（d）FusionScope測(cè)量Au納米線的高度為24 nm，半峰寬為51 nm。
圖5. Au納米線的等離子性能的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。(a) Au納米線在不同能量損失下的EELS模擬結(jié)果。（b）Au納米在不同能量損失下的EELS實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（c）在納米線的邊緣部分（d）中藍(lán)色區(qū)域的EELS實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)比結(jié)果。（e）為Au納米線的中間部分（d）中綠色區(qū)域的EELS的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖6. 可進(jìn)行光譜調(diào)諧的等離子體3D納米結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。（a）在3D納米結(jié)構(gòu)尖丶端部分的EELS結(jié)果，實(shí)線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線為模擬結(jié)果。（b-c）不同形貌的3D納米結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。（d）不同形貌的納米結(jié)構(gòu)的三個(gè)顯著共振峰位置的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。
【結(jié)論】
論文中，格拉茨技術(shù)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)通過FEBID的方法制備了具有納米級(jí)精度的3D等離子體納米結(jié)構(gòu)。在制備相關(guān)納米結(jié)構(gòu)過程中，通過FusionScope系統(tǒng)對(duì)所制備的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位的幾何結(jié)構(gòu)表征，為模擬過程提供了數(shù)據(jù)支持。Quantum Design公司研發(fā)的FusionScope多功能顯微鏡，通過特殊的共坐標(biāo)系統(tǒng)，解決了原位聯(lián)合顯微分析中不同表征方式無法共享微區(qū)的問題，又通過優(yōu)化AFM和SEM工作流給用戶提供了一個(gè)清晰簡(jiǎn)單的操作流程，為原位微區(qū)信息的獲取提供了極大的便利。此外，F(xiàn)usionScope還可以通過更換不同AFM探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品三維形貌，力學(xué)性能，電學(xué)性能和磁學(xué)性能的綜合物性表征。
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