[論文レビュー] Near-field optical investigation of Ni clusters inside single-walled carbon nanotubes on the nanometer scale

Gergely Németh, Dániel Datz+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2018

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、散乱型走査近接場光学顕微鏡（s-SNOM）を用いて、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）内に埋め込まれた1000原子未満のニッケルナノクラスターをナノスケール分解能で検出する。この手法は自由キャリア吸収により金属的クラスターに対して高い感度を示し、約600 Ni原子のクラスターで検出可能であり、電荷キャリアによる強い光学コントラストのおかげで、磁気力顕微鏡（MFM）よりもこれらのナノ構造を特定する能力に優れている。

ABSTRACT

We used scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) to characterize nickel nanoclusters grown inside single-walled carbon nanotubes (SWCNT). The nanotubes were filled with Ni(II) acetylacetonate and the molecules were transformed into nickel clusters via annealing. The metal clusters give high local contrast enhancement in near-field phase maps caused by the excitation of free charge carriers. The near-field contrast was simulated using the finite dipole model, approximating the clusters with elliptical nanoparticles. Compared to magnetic force microscopy, s-SNOM appears much more sensitive to localize metal clusters inside carbon nanotubes. We estimate the detection threshold to be ~600 Ni atoms.

研究の動機と目的

• 単層カーボンナノチューブ（SWCNT）内に埋め込まれた1000原子未満のニッケルナノクラスターをナノスケール分解能で検出および特徴付けること。
• s-SNOMが低次元ナノ構造における金属相を同定する感度を評価すること。
• s-SNOMと磁気力顕微鏡（MFM）を用いて、SWCNT内に埋め込まれた小さなNiクラスターを検出する性能を比較すること。
• 金属ナノ粒子からの近接場光学コントラストをシミュレートするための有限双極子モデル（FDM）の妥当性を検証すること。

提案手法

• 赤外領域の光学応答を励起するために、980 cm⁻¹の量子カスケードレーザーを用いた散乱型走査近接場光学顕微鏡（s-SNOM）を採用した。
• 金属被膜を施した原子間力顕微鏡のプローブをナノアンテナとして用い、局所電場を増幅し、近接場散乱光を収集した。
• 近接場散乱光は、ミケルソン干渉計を用いた擬似異位相検出法により、プローブ振動周波数の高次調波で変調された。
• 有限双極子モデル（FDM）を用いて位相コントラストをシミュレートし、Niクラスターを楕円形ナノ粒子として近似した。
• サンプル調製は、SWCNTにNi(II)アセチルアセトナートを充填し、700 °Cで2時間にわたり真空アニール処理を施した。
• 補足的特徴付けには、全内反射（ATR）分光法、透過型電子顕微鏡（TEM）、および磁気力顕微鏡（MFM）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 s-SNOMは、1000原子未満の感度でSWCNT内に金属的ニッケルナノクラスターを検出可能か？
• RQ2 SWCNT内における非金属的または絶縁性物質と比較して、Niクラスターの近接場光学コントラストはどのように異なるか？
• RQ3 強い磁気的性質を示すにもかかわらず、なぜs-SNOMはMFMよりも小さなNiクラスターを検出できるのか？
• RQ4 有限双極子モデルは、ナノスケール金属インクルージョンの近接場位相コントラストをどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• s-SNOMは、約600 Ni原子の最小検出閾値を示し、金属相に対する高い感度を確認した。
• 最も明るいスポットの測定された3次高調波位相コントラストはφO3 = 0.139 ± 0.01 radであり、シミュレートされた値φ ≈ 0.142 radとよく一致した。
• 磁気力顕微鏡（MFM）は、130 nmまでのリフト高でも、Niクラスターからの信号を一切検出できず、極めて小さな磁気双極子に対して感度が低いことが示された。
• 有限双極子モデルは、近接場位相コントラストを正確に予測でき、小さな金属ナノ粒子の光学応答をシミュレートするうえで信頼性があることが確認された。
• s-SNOMマップにおける高い光学コントラストは、ナノチューブバンドに沿ってNiクラスターが明確に特定されており、TEM観察で得られた不均一なクラスター分布と整合的であった。
• 本研究では、金属的クラスター内の自由キャリア吸収が強力な近接場コントラストを生成することを確認し、複雑なナノ構造内でも信頼性の高い局在化が可能であることを示した。