[報告題目]
Nanoscale optical infrared spectroscopy - FTIR spectroscopy beyond the diffraction limit
[報告時間]
2020年07月01日 14:00-15:00
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[報告概述]
隨著現代科學研究尺度不斷縮小，以及微納材料合成製備能力的提升，對適合這些尺度表徵的新方法提出了更高的要求。例如，納米複合材料對於傳統基於紅外光譜的表徵手段提出了典型的挑戰，當域和子結構的尺寸越來越小，這些域和子結構比傳統的光學手段所能提供的最小解析度還要要小。
納米傅立葉紅外光譜(nanoFTIR)是一種新興的光學超分辨顯微技術，它可以實現10nm空間解析度的紅外光譜和化學成像。利用基於AFM尖端照明和幹涉光檢測的寬帶光源（類似於經典FTIR光譜），它能夠以納米尺度的空間解析度對樣品進行定量近場光譜測量，具有前所未有的優質信噪比。由於其比標準FTIR光譜具有更高的檢測靈敏度和極高的空間解析度，nanoFTIR已成功地用於測定多組分薄膜聚合物共混物的化學組成，探索單個胰島素和膠原纖維的局部二級結構，確定超薄聚合物刷層的分子取向和簇大小等。
本次報告中，我們將以有機和無機化學以及生物研究為主題，結合發表在Nature、Science等期刊上的最新科研結果，介紹納米傅立葉紅外光譜(nanoFTIR)用於納米化學鑑定、納米域表徵、理解化學和生物過程以及納米圖案化結構的表徵。另外，還將就nanoFTIR技術與近場技術從原理上的關聯進行詳細闡述，並就微納領域、近場領域廣大科學工作者關心的熱點問題進行解釋說明。
[主講人介紹]
Nicolai Hartmann博士畢業於慕尼黑大學物理化學專業，主要研究方向為新型共聚焦顯微技術和近場光學顯微技術在等離子激元等方向上的應用。隨後，Nicolai博士先後加入了美國阿拉莫斯國家實驗室和慕尼黑大學光學研究中心，繼續從事功能性碳納米管相關的光譜及顯微表徵研究、基於鈣鈦礦納米材料的近場受激拉曼技術研發。其相關學術成果為Nat Nanotechnol、Nat Commun、ACS Nano、Nano Lett等國際一流雜誌收錄。
2017年Nicolai博士加入neaspec公司，從事近場技術的相關開拓和應用。由於其深厚技術底蘊和傑出工作表現，Nicolai博士深受廣大中國客戶認可和歡迎，現為neaspec公司中國區首席技術顧問。
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■ 納米尺度汙染物的化學鑑定
nano-FTIR傅立葉紅外光譜儀可以應用到對納米尺度樣品汙染物的化學鑑定上。下圖顯示的Si表面覆蓋PMMA薄膜的橫截面AFM成像圖，其中AFM相位圖顯示在Si片和PMMA薄膜的界面存在一個100 nm尺寸的汙染物，但是其化學成分無法從該圖像中判斷。而使用nano-FTIR在汙染物中心獲得的紅外光譜清晰的揭示出了汙染物的化學成分。通過對nano-FTIR獲得的吸收譜線與標準FTIR資料庫中譜線進行比對，可以確定汙染物為PDMS顆粒。
nano-FTIR對納米尺度汙染物的化學鑑定
AFM表面形貌圖像 (左), 在Si片基體（暗色區域Ｂ）與PMMA薄膜（Ａ）之間可以觀察到一個小的汙染物。機械相位圖像中（中），對比度變化證明該汙染物的是有別於基體和薄膜的其他物質。將點Ａ和Ｂ的nano-FTIR 吸收光譜（右），與標準紅外光譜資料庫對比， 獲得各部分物質的化學成分信息. 每條譜線的採集時間為7min, 光譜解析度為13 cm-1.
參考：Nano-FTIR absorption spectroscopy of molecular fingerprints at 20 nm spatial resolution.,」,F. Huth, A. Govyadinov, S. Amarie, W. Nuansing, F. Keilmann, R. Hillenbrand, Nanoletters, 12, p. 3973 (2012).
■ 二維材料氮化硼晶體中聲子極化激元的研究
範得瓦爾斯晶體是由層與層之間微弱的範德華力的相互作用構成的薄層晶體，類似石墨塊中的石墨烯單原子層。這類晶體具有超導、鐵磁性、發光性等等特殊性質。
S.Dai等人利用Neaspec公司的納米傅立葉紅外光譜系統(Nano-FTIR)研究了不同厚度的薄 層氮化硼晶體中的聲子極化激元（一種光子與光學聲子的耦合作用）。結果表明，極化波的傳播現象存在於氮化硼晶體表面，而且極化波的波長隨著氮化硼晶體的厚度變化而變化。分析結果還可以得到表面聲子極化激元色散特性關係。這些實驗數據可以很好的與理論模型相吻合。與石墨烯相比，氮化硼晶體的損失因子要小很多，所以氮化硼晶體中表面聲子波傳播距離相對較大。
參考：S.Dai; et.al. Tunable Phonon Polaritons in Atomically Thin van der Waals Crystals of Boron Nitride. Science, 2014, 343, 1125-1129.
■ 鋰電池充放電過程中的相位分布情況
I. T.Lucas等人利用Neaspec公司的納米傅立葉變換紅外光譜技術(nano-FTIR)對磷酸鐵鋰在鋰電池的充放電過程中的相位分布進行了具體的研究。根據對不同充放電階段的正極材料紅外吸收光譜的研究，實驗結果直接證明，充放電的中間過程部分脫鋰的正極材料同時存在磷酸鐵鋰與磷酸鐵兩種相位。通過建立三維層析成像的模型建立與分析，由磷酸鐵組成的外殼包圍由磷酸鐵鋰組成的核心的「外殼-核心結構」模型最適合解釋該實驗所得結果。分析表明在脫鋰的過程中，核心部分的磷酸鐵鋰慢慢的變小直至最終消失。
參考：I. T. Lucas ; et. al. IR Near-Field Spectroscopy and Imaging of Single LixFePO4 Microcrystals. Nano Letters, 2015, 15, 1-7.
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原標題：《與原廠科學家面對面|如何突破衍射極限？基於近場光學技術的納米分辨紅外光譜》
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