[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）以纳米级分辨率检测单壁碳纳米管（SWCNTs）内直径小于1000个原子的镍纳米团簇。该方法通过自由载流子吸收实现对金属团簇的高灵敏度检测，可探测到约600个Ni原子的团簇，由于载流子引起的光学对比度更强，其在定位这些纳米结构方面优于磁力显微镜（MFM）。

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.

研究动机与目标

• 以纳米级分辨率检测并表征单壁碳纳米管（SWCNTs）内亚1000原子镍纳米团簇。
• 评估s-SNOM在识别低维纳米结构中金属相时的灵敏度。
• 比较s-SNOM与磁力显微镜（MFM）在检测SWCNTs内小尺寸Ni团簇时的性能。
• 验证有限偶极子模型在模拟金属纳米颗粒近场光学对比度方面的适用性。

提出的方法

• 采用980 cm⁻¹量子级联激光器激发红外光学响应，利用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）进行测量。
• 使用金属镀层的原子力显微镜探针作为纳米天线，增强局部电场并收集近场散射光。
• 通过迈克尔逊干涉仪中的伪外差检测技术，在探针振荡频率的高次谐波上解调近场散射光。
• 采用有限偶极子模型（FDM）模拟相位对比度，将Ni团簇近似为椭球形纳米颗粒。
• 样品制备通过将Ni(II)乙酰丙酮酸盐填充至SWCNTs中，随后在700 °C下抽真空退火2小时以形成Ni团簇。
• 补充表征手段包括衰减全反射（ATR）光谱、透射电子显微镜（TEM）以及磁力显微镜（MFM）。

实验结果

研究问题

• RQ1 s-SNOM能否以低于1000个原子的灵敏度检测SWCNTs内的金属镍纳米团簇？
• RQ2 Ni团簇的近场光学对比度与SWCNTs中非金属或非导电物种相比如何？
• RQ3 尽管Ni团簇具有强磁性，为何s-SNOM在检测小尺寸Ni团簇时仍优于MFM？
• RQ4 有限偶极子模型在多大程度上能准确预测纳米尺度金属内嵌物的近场相位对比度？

主要发现

• s-SNOM可检测到最小约600个Ni原子的镍纳米团簇，显示出对金属相的高灵敏度。
• 最强亮点的三次谐波相位对比度实测值为φO3 = 0.139 ± 0.01 rad，与模拟值φ ≈ 0.142 rad高度吻合。
• 磁力显微镜在高达130 nm的悬停高度下均未检测到任何信号，表明其对如此小的磁偶极子灵敏度极低。
• 有限偶极子模型成功预测了近场相位对比度，证实其在模拟小尺寸金属纳米颗粒光学响应方面的可靠性。
• s-SNOM图中显著的光学对比度清晰标识出纳米团簇在纳米管束中的位置，与TEM观察到的团簇分布不均结果一致。
• 本研究证实，金属团簇中的自由载流子吸收可产生强烈的近场对比度，从而实现在复杂纳米结构中可靠定位。