如果你已經(jīng)看過我上一篇介紹低電流STM成像的短文[i]，那么那些HOPG上鈷和鎳八乙基卟啉（CoOEP 和NiOEP）自組裝二維晶格子的高分辨STM圖像一定會(huì)令你印象深刻。Roger也是一樣，在看到那些圖片之后，他向我建議可以嘗試使用Cypher AFM的輕敲模式（調(diào)幅AC模式）來代替STM觀察CoOEP的?晶格，因?yàn)槲覀冎繡ypher AFM在空氣中的成像質(zhì)量相當(dāng)穩(wěn)定。

當(dāng)我把這個(gè)想法告訴Kerry Hipps教授時(shí)，他第一反應(yīng)是“這不可能！”。我接著跟他說：?“我非常確定這個(gè)是可行的?！?好吧，我承認(rèn)我的倔強(qiáng)和執(zhí)著，所以無論如何，我都要嘗試一下這個(gè)“瘋狂”的想法。我選擇了一個(gè)尖銳，敏捷，硬度中等，懸臂為硅材料的鍍金探針（FS-1500AuD探針）。 它的針尖半徑為Rtip?= 10± 2 nm，空氣中的共振頻率為fair≈1.5MHz，彈性系數(shù)為k≈6N / m。您也可以在我們的探針庫找到它.當(dāng)我將針尖接近樣品表面時(shí)，樣品表面的苯基辛烷薄層會(huì)立即吸附在探針懸臂上（見圖1）。在這樣一種氣相-液相混合振蕩介質(zhì)中，針尖的共振頻率會(huì)立即降到0.66 MHz。這種情況下的溶液需要大約10分鐘之后才達(dá)到平衡，而在此之后，即使探針在表面移動(dòng)也不會(huì)再次影響到溶液的穩(wěn)定性。

圖1. 苯基辛烷/ HOPG界面處干涉條紋的時(shí)間序列圖像。這些圖像是通過Cypher ES頂視光學(xué)系統(tǒng)捕獲的。當(dāng)溶液吸附到AFM懸臂上時(shí)，苯基辛烷彎月面起到衍射器的作用而產(chǎn)生出干涉條紋。

由于BlueDrive出色的光熱激發(fā)穩(wěn)定性，在平衡溶液中調(diào)諧懸臂后，我能夠?qū)⒆杂沈?qū)動(dòng)振幅和設(shè)定點(diǎn)分別穩(wěn)定在~1.44 nm（90 mV）和~0.34 nm（21 mV）[iii] 。瞧瞧圖2中的圖像，CoOEP晶格漸漸在視野中顯現(xiàn)出來，這里觀察到的的~1.4 nm的晶格的分子間距和預(yù)期的理論值一摸一樣！我向 Hipps教授展示了這組圖片，他不得不驚嘆地說一句 “Wow！”

圖2. 低振幅輕敲模式下CoOEP的分子晶格分辨率圖像。 （A）掃描邊長為100 nm。 （B）沿（A）中的白線的截面，從中可以清楚的觀察到CoOEP分子有規(guī)則間隔。 （C）掃描邊長為100nm 的3D圖像。

將圖2繼續(xù)放大后（見圖3），我確信自己可以在一部分相位圖中看到卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)。您可能會(huì)注意到的是，相比上一篇短文中的STM圖像，這里的測量結(jié)果似乎對樣品表面的污染更加敏感。我們可以看到樣品表面上有一些無定形的團(tuán)聚物，這些污染物會(huì)和掃描過程中的針尖相互作用，使掃描的圖像發(fā)生了一些變化。這意味著在AFM測量之前，您務(wù)必對樣品表面，探針和探針支架進(jìn)行全方位的清潔。

圖3.在輕敲模式下CoOEP晶格的AFM放大圖像。 （A）掃描邊長為20納米的形貌圖。 （B）掃描邊長為20納米的相位圖。注意卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)在圖像的上部清晰可見。

這些數(shù)據(jù)讓我想起了紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Rob Atkin教授，諾丁漢大學(xué)的Peter Beton教授和南京大學(xué)的王欣然教授曾經(jīng)發(fā)表的一些關(guān)于使用Cypher 在大氣環(huán)境下進(jìn)行的AFM的研究 [iv-vi]。這里我來具體介紹一下這些研究的成果。第一項(xiàng)研究[iv]闡明了在恒電位控制偏壓下石墨（HOPG）表面的離子液體（EMIm + TFSI-）的納米結(jié)構(gòu)（見圖4A）。此外，施加的偏壓在開路電位附近有規(guī)律地變化，同時(shí)分子Stern層作為偏壓的函數(shù)（以及離子組分的函數(shù)，例如Li +和Cl-）進(jìn)行了重新整合。第二項(xiàng)研究[v]主要集中在觀察吸附在六方氮化硼（hBN）和其他樣品表面上的5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）的超分子結(jié)構(gòu)，及分析該吸附現(xiàn)象對TCPP分子的光電子特性的影響。圖4B顯示了hBN上TCPP的正方晶格結(jié)構(gòu)。第三項(xiàng)研究[vi]探討了HOPG和hBN上高流動(dòng)性的二辛基苯并噻吩并苯并噻吩（C8-BTBT）的少層二維分子晶體的范德瓦爾外延結(jié)構(gòu)，這種材料可用于實(shí)現(xiàn)有機(jī)場效晶體管。圖4C顯示了在hBN上生長的C8-BTBT晶格的高分辨率形貌。
圖4. 2D分子晶格的AFM成像。 （A）吸附在HOPG基片上的純EMIm + TFSI-Stern層的相位圖; 掃描邊長為30nm，在塊體EMIm + TFSI-離子液體中成像（參見參考文獻(xiàn)[iv]）。 （B）組裝在hBN基片上的TCPP的正方晶格的形貌圖像; 掃描邊長為50nm，在空氣中成像（參見參考文獻(xiàn)[v]）。 （C）在hBN基片上生長的C8-BTBT晶格的形貌圖像; 掃描邊長為10nm，在空氣中成像（參見參考文獻(xiàn)[vi]）。

References

[i] April Current Amplifiers Bring May Ultra-Low-Current STM

[ii] Learn more about Cypher here: (a) Learn more about blueDrive at and at

(b) A. Labuda, K. Kobayashi,

Y. Miyahara, and P. Grütter, Retrofitting an atomic force microscope with

photothermal excitation for a clean cantilever response in low Q

environments, Review of Scientific Instruments, 2012 83, 053703.

A. Elbourne, S. McDonald, K. Vo?chovsky, F. Endres, G. G. Warr, and R.

Atkin, Nanostructure of the Ionic Liquid–Graphite Stern Layer, ACS Nano,

2015, 9(7), 7608–7620. V. V. Korolkov, S. A. Svatek, A. Summerfield, J. Kerfoot, L. Yang, T. Taniguchi,

K. Watanabe, N. R. Champness, N. A. Besley, and P. H. Beton, van der Waals-

Induced Chromatic Shifts in Hydrogen-Bonded Two-Dimensional Porphyrin

Arrays on Boron Nitride, ACS Nano, 2015, 9(10), 10347–10355.

D. He, Y. Zhang, Q. Wu, R. Xu, H. Nan, J. Liu, J. Yao, Z. Wang, S. Yuan, Y. Li, Y.

Shi, J. Wang, Z. Ni, L. He, F. Miao, F. Song, H. Xu, K. Watanabe, T. Taniguchi, J.-B.

Xu & X. Wang, Two-dimensional quasi-freestanding molecular crystals for

high-performance organic field-effect transistors, Nature Communications,

2014, 5:5162, 1–7. 轉(zhuǎn)載文章前請與牛津儀器聯(lián)系，未獲許可謝絕轉(zhuǎn)載，謝謝。