高分子纳米线

有电的地方就会产生热量，而这正是缩小电子设备的一个主要障碍。一个改变游戏规则的发现，可以通过传导更多的热量来加速计算机处理器的发展进程。TEM图像显示涂有二氧化硅（SiO2）的 28Si 纳米线。来源：Matthew R. Jones 和 Muhua Sun/莱斯大学科学家们已经验证了一种硅同位素（28Si）纳米线新材料，其热导率比先进芯片技术中使用的传统硅材料高出150%。这种超薄硅纳米线器件可以使更小、更快的微电子技术成为可能，其热传导效率超过了现有技术。由有效散热的微芯片驱动的电子器件反过来会消耗更少的能源——这一改进可以减轻燃烧富含碳的化石燃料产生的能源消耗，这种能源消耗导致了全球变暖。“通过克服硅导热能力的天然局限性，我们的发现解决了微芯片工程中的一个障碍，”报道此新研究成果的科学家 Junqiao Wu 说（课题组主页，https://wu.mse.berkeley.edu）。Wu 是加州大学伯克利分校材料科学系的一名教师科学家和材料科学与工程教授。01热量在硅中缓缓流动我们使用的电子产品相对便宜，因为硅 - 计算机芯片的首选材料 - 既便宜又丰富。可是，尽管硅是电的良导体，当它被缩小到非常小的尺寸时，它就不是热的良导体——而当涉及到快速计算时，这对微小的微芯片来说却是一个巨大问题。艺术家对微芯片的渲染。来源：dmitriy-orlovskiy/Shutterstock每个微芯片中都有数百亿个硅晶体管，它们引导电子进出存储单元，将数据比特编码为1和0，即计算机的二进制语言。电流在这些辛勤工作的晶体管之间流动，而这些电流不可避免地会产生热量。热量会自然地从热的物体流向冷的物体。但是热流在硅中变得很棘手。在自然形式中，硅由三种不同的同位素组成 - 化学元素的形式，其原子核中含有相同数量的质子，但中子数量不同（因此质量不同）。大约 92% 的硅由同位素 28Si 组成，它有14个质子和14个中子；大约 5% 是 29Si，有14个质子和15个中子；只有 3% 是 30Si，相对重量级为14个质子和16个中子，合作者 Joel Ager 解释道，他拥有 Berkelry Lab（伯克利实验室）材料科学部门的高级科学家头衔，也是 UC Berkeley（加州大学伯克利分校）材料科学与工程的兼职教授。左起：Wu Junqiao 和 Joel Ager。来源：Thor Swift/伯克利实验室 Joel Ager 的照片由加州大学伯克利分校提供作为声子，携带热量的原子振动波，在蜿蜒穿过硅的晶体结构时，当它们撞击 29Si 或 30Si 时方向会发生改变，它们不同的原子质量“混淆”声子，减慢它们的速度。“声子最终看到了这个表象，并找到了通往冷端以冷却硅材料的方法，”但这种间接的路径允许废热积聚，这反过来又会减慢您的计算机速度，Ager 说。02迈向更快、更密集的微电子学的一大步几十年来，研究人员推测，由纯 28Si 制成的芯片将克服硅的导热极限，从而提高更小、更密集的微电子器件的处理速度。但是，将硅提纯成单一同位素需要付出高昂的代价和能量水平，很少有设施可以满足 - 更没有哪家工厂能专门制造市场上可用的同位素材料，Ager 说。幸运的是，2000年代初的一个国际项目使 Ager 和杰出的半导体材料专家 Eugene Haller 能够从前苏联时代的同位素制造厂采购四氟化硅气体 - 同位素纯化硅的原料。（Haller 于1984年创立了伯克利实验室的美国能源部资助的电子材料项目，并曾是伯克利实验室材料科学部门的高级科学家和加州大学伯克利分校材料科学和矿物工程教授。）这直接导致了一系列开创性的实验研究，包括 2006 年发表在《自然》杂志上的一项成果，其中 Ager 和 Haller 将 28Si 塑造成单晶，他们用它来证明量子存储器将信息存储为量子比特或量子位，单位存储的数据同时作为 1 和 0 的电子自旋。99.92% 28Si 晶体的光学图像，伯克利实验室科学家 Junqiao Wu 和他的团队使用这种材料制备纳米线。来源：Junqiao Wu/伯克利实验室随后，用 Ager 和 Haller 提纯的硅同位素材料制成的半导体薄膜和单晶显示出比天然硅高 10%的热导率——这是一个进步，但从计算机工业的角度来看，可能不足以证明花一千多倍的钱用同位素纯硅制造一台计算机是合理的，Ager 说。但 Ager 知道，硅同位素材料在量子计算之外具有的科学重要性。因此，他把剩下的东西存放在伯克利实验室一个安全的地方，以备其他科学家可能的不时之需，因为他推断，很少有人有资源制造甚至购买到同位素纯硅。03用 28Si 实现更酷的技术之路大约三年前，Wu 和他的研究生 Ci Penghong 试图找到提高硅芯片传热速率的新方法。制造更高效晶体管的其中一项策略，涉及使用一种称为环栅场效应晶体管（Gate-All-Around Field Effect Transistor，GAAFET）的技术。在这些器件中，硅纳米线堆叠以导电，并同时产生热量，Wu 解释到。“如果产生的热量不能迅速排出，该器件将停止工作，这就像在没有疏散地图的高楼中发出火灾警报一样，”他说。FinFET（鳍式场效应晶体管）和环栅场效应晶体管（GAAFET）结构示意图。来源：Applied Materials但硅纳米线的热传递甚至更糟，因为它们粗糙的表面 - 化学处理的疤痕 - 更容易分散或“混淆”声子，他解释说。由硅纳米线桥接的两个悬浮垫组成的微器件的光学图像。来源：Junqiao Wu/伯克利实验室“然后有一天我们想知道，如果我们用同位素纯 28Si 制造纳米线会发生什么？”Wu 说。硅同位素不是人们可以在公开市场上能够轻松购买到的东西，有消息称，Ager 仍然在伯克利实验室储存了一些少量的硅同位素晶体，且仍然足以分享。“希望有人对如何使用它有一个很好的想法，” Ager 说，“如 Junqiao 的新研究就是一个很好的例证。”04纳米测试后的惊人大揭秘“我们真的很幸运，Joel 碰巧已经准备好了同位素富集的硅材料，正好可用于这项研究，”Wu 说。利用 Ager 提供的硅同位素材料，Wu 研究团队测试了 1 mm 尺寸的 28Si 晶体与天然硅的导热性 - 他们的实验再次证实了 Ager 和他的合作者几年前的发现 - 块状 28Si 的导热性仅比天然硅好 10%。尽管块状晶体硅具有相对较高的热导率（室温下 κ∼144 W/mK），但当其尺寸减小到亚微米范围时，由于声子显著的边界散射，κ 会受到强烈抑制。60 K 条件下，115 nm 尺寸的硅纳米线，κ~16 W/mK, DOI: 10.1063/1.1616981；300 K 条件下，31-50 nm 尺寸的硅纳米线，κ~8 W/mK，DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.105501。现在进行纳米级别测试。Ci 使用一种化学蚀刻技术制造了直径仅为 90 nm（十亿分之一米）的天然硅和 28Si 纳米线 - 大约比一根人类头发细1000倍。为了测量热导率，Ci 将单根纳米线悬浮于两个装有铂电极和温度计的微加热器垫之间，然后向电极施加电流以在一个垫上产生热量，然后通过纳米线流向另一个垫。“我们预计，使用同位素纯材料进行纳米线的热传导研究结果只会有 20% 的增量效益，” Wu 说。但 Ci 的测量结果让他们都感到惊讶。28Si 纳米线的热导率提高不是 10% 甚至 20%，而是比具有相同直径和表面粗糙度的天然硅纳米线好 150%。这大大的超出了他们的预期，Wu 说。纳米线粗糙的表面通常会减慢声子的速度，那这是怎么回事呢？莱斯大学（Rice University）的 Matthew R. Jones 和 Muhua Sun 捕获的材料高分辨率 TEM（透射电子显微镜）图像发现了第一条线索：28Si 纳米线表面上的玻璃状二氧化硅层（SiO2）。而纳米线导热性研究的知名专家 Zlatan Aksamija 领导的马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）研究团队计算模拟实验表明，同位素“缺陷”（29Si 和 30Si 的不存在）阻止了声子逃逸到表面，其中 SiO2 层会大大减慢声子的速度。这反过来又使声子沿着热流方向保持在轨道上 - 因此在 28Si 纳米线的“核心”内不那么“混淆”。（Aksamija 目前是犹他大学（theUniversity of Utah）材料科学与工程副教授。）“这真的出乎意料。发现了两个独立的声子阻断机制 - 表面和同位素，以前被认为彼此独立的 - 现在协同作用，这使我们在热传导研究中获得了非常令人惊讶的结果，却也非常令人满意，“Wu 说。“Junqiao 和团队发现了一种新的物理现象，”Ager 说，“对于好奇心驱动的科学研究来说，这是一个真正的胜利。这真的是太令人兴奋了。”研究小组接下来计划将他们的发现推进到下一个阶段：研究如何“控制，而不仅仅是测量这些材料的热传导性能”，Wu Junqiao 说。莱斯大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校、深圳大学和清华大学的研究人员参与了研究工作。这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。原文信息Giant Isotope Effect of Thermal Conductivity in Silicon Nanowires，Penghong Ci, Muhua Sun, Meenakshi Upadhyaya, Houfu Song, Lei Jin, Bo Sun, Matthew R. Jones, Joel W. Ager, Zlatan Aksamija, and Junqiao Wu，Phys. Rev. Lett. 128, 085901 (2022)https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.085901

背景介绍傅里叶红外光谱（FTIR）是学术界以及工业界表征鉴别材料的常用手段。衰弱全反射红外光谱（ATR-IR）是用于材料的宏观化学信息分析的技术。该技术将样品压在衰弱全反射（ATR）晶体表面，通过红外光在晶体/样品界面的反射得到高分子样品的吸收光谱。然而，ATR-IR的空间分辨率受到光的衍射极限的限制，并不能得到样品纳米级别的化学信息，因此无法用于材料微观化学信息的研究。近年来，新兴起的纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR因可在纳米尺度下实现对几乎所有材料的化学分辨而受到广泛关注。该技术是基于全新的散射式近场光学技术（s-SNOM）研发的，能够在10 nm的空间分辨率下实现对材料的红外光谱表征，且得到的光谱与传统FTIR，ATR-IR的红外光谱有极高的一致性。同时，该技术具有无损伤、无需染色标记、快速且适用性广等优点，是纳米级别的化学分析利器。为了使大家对纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR有更为直观、高效的了解，我司特别安排了专门的网络线上讲座，为您详细介绍纳米傅里叶红外光谱仪nano-FTIR的基本原理、技术特点及在Science、Nature Communications、Nano Letters等顶尖期刊上的前沿应用案例。感谢兴趣的老师可在本文“直播预告”部分扫码预约。图1. neaspec散射式近场光学显微镜（s-SNOM）及纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR必看案例案例1：高分子纳米材料的鉴别及与传统红外光谱数据库的对照德国阿尔弗雷德纬格纳研究所的Gerdts教授利用散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）对高分子材料进行了微观鉴别的研究。该课题组测量了高分子样品的近场红外成像以及红外吸收光谱，得到了高分子材料的纳米分辨率的相分布信息。同时，该团队测量了常见高分子的近场吸收光谱，并与通过ATR-IR得到的吸收光谱进行比较，发现用neaspec Nano-FTIR得到的近场吸收光谱与ATR-IR得到的光谱有极高的一致性，可直接对照传统IR光谱数据库。因此，散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）可应用于纳米高分子及环境中高分子样品的鉴别。相关研究成果发表于Analytical Methods, 2019, 11: 5195-5202。图2. LDPE聚合物颗粒PS介质混合物样品的光学超分辨成像。(a) 拓扑结构成像以及对应的(b) 机械信号的相位图和 (c) 近场红外的振幅图。(d) 通过 (c) 中所示路径的直线扫描得到的在1300 - 1700 cm-1区域内的近场红外的相位图。(e) LDPE和PS区域对应的近场红外的相位图。(f) 和 (g) 分别对应 (c) 中A, B区域的高分辨率近场红外相位图。可以看到LDPE/PS界面的近场红外的相位图中峰的移动。图3. (a) 用Nano-FTIR得到的PLA样品对应的近场红外的振幅(Sn)，实部(Re)，相位(φn)，虚部(Im)图。所得结果为三个样品点结果的均值，测量用时为7分钟。(b) Nano-FTIR得到的近场红外的虚部(Im)图与ATR-IR得到的PLA样品的光谱的对照。Nano-FTIR与ATR-IR得到的光谱高度吻合。01案例2：纳米傅里叶红外光谱仪（Nano-FTIR）对单层二维高分子聚合物的研究二维高分子聚合物作为一种新型有机二维材料，近年来在薄膜和电子设备的应用上受到广泛关注。相较于石墨烯由石墨自上而下的剥离合成路径，二维聚合物的合成路径可以采取自下而上的单体聚合反应，也因此具备更大的灵活性。如何优化合成路径以得到高品质的二维高分子聚合物是目前该领域的重大挑战之一。德国慕尼黑技术大学的Lackinger教授开发了一种有机单体分子自组装的光聚合合成路线，并利用纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）对fantrip单体分子和其聚合物进行了吸收光谱的研究，验证了聚合反应的机理。该合成方法与传统的热聚合方法相比，大大减少了二维聚合物的缺陷密度，提升了材料均一性。相关研究成果发表于Nature Chemistry, 2021, 13: 730-736。研究人员利用纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）的近场光学技术的高灵敏度，测量了fantrip有机单体分子及其二维聚合物的纳米傅里叶红外吸收光谱。所得光谱与DFT计算结果一致，证明了单体分子参与光聚合反应形成二维高分子。该技术得到的近场吸收光谱与传统FTIR光谱对应，而传统FTIR或ATR-IR的灵敏度无法测量该单层分子材料的吸收光谱。同时，纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）的近场光学技术采用纯光学信号测量，而非基于材料热膨胀系数的机械信号。该技术灵敏度极高，可测量热膨胀系数低的材料，如二维材料，无机材料等。且对薄膜样品的破坏性极小，因此可用于单层分子自组装材料的研究。图4. Fantrip单体分子（上）及其二维聚合物（下）的纳米傅里叶红外吸收光谱。柱形图为DFT计算得到的fantrip单体分子（红色）及其二维聚合物（蓝色）所对应的红外吸收光谱。02案例3：石墨烯电解液界面的纳米红外研究ATR-IR是应用于电极电解液的原位界面表征的常用方法。然而该技术的探测深度在微米级别，而电极电解液的界面，如双电层，一般在纳米级别。因此ATR-IR得到的界面光谱信号受到电解液主体信号的严重干扰。加州大学伯克利分校的Salmeron教授利用nano-FTIR对石墨烯电解液界面进行原位研究，通过nano-FTIR可达10 nm的超高空间分辨率(探测深度)，对非热膨胀样品（石墨烯）的高敏感度，及无损伤的特点，实现了对单层石墨烯电解液界面的原位表征，真正获得了双电层的化学信息。研究人员发现，相较于传统的ATR-IR，nano-FTIR的红外光谱中可观测到界面独有的离子配位体，这得益于nano-FTIR的高灵敏度与高空间分辨率。同时，nano-FTIR支持样品台的接电设计，研究人员通过改变石墨烯电极的电压，观测到红外光谱的变化，说明了界面化学成分的变化，即双电层的变化。相关研究成果发表于Nano Letters, 2019, 19: 5388-5393.图5. 单层石墨烯电解液nano-FTIR原位研究实验设计示意图。图6.（a）ATR-FTIR和nano-FTIR的(NH4)2SO4水溶液红外光谱。（b）nano-FTIR在+0.5V和0V vs. Pt的红外光谱。0V数据取2个位置共64组光谱的平均值，+0.5V数据取5个位置共112组光谱的平均值。03案例4：对多组分高分子材料的纳米成分分析西班牙巴斯克大学的Hillenbrand教授利用nano-FTIR实现了多组分高分子材料的纳米成分分析。研究人员通过检测聚苯乙烯（PS），聚丙烯酸（AC）以及聚偏氟乙烯（FP）混合样品的纳米区域的红外光谱，并与标准样品的纳米红外光谱做对比，得到样品组分的纳米分布图，分辨率达到了30 nm。通过分析样品C-F（1195cm-1），C=O（1740cm-1）及C-O（1155cm-1）峰的强度及波数的空间分布图，可得到对应的高分子组分及组成结构的空间分布。相关研究成果发表于Nature Communications, 2017, 8，14402. Nano-FTIR可以得到材料纳米分辨率的化学信息，分辨率最高可达10 nm，是传统FTIR和ATR-IR无法企及的。图7. nano-FTIR对高分子复合材料的表征。包括（a）拓扑结构成像，（b）相应位置的纳米红外光谱，以及（c），（d）基于纳米红外光谱的组分分布图。04纳米傅里叶红外光谱仪nano-FTIR的技术优势极大地突破了传统红外光谱的空间分辨率极限，可达10 nm得到的谱图与传统红外谱图有极高的一致性探测光学信号而非机械信号，灵敏度极高，适用于热膨胀系数低的系统可同时得到光谱及成像结果测样时间短操作和样品准备简单——仅需要常规的AFM样品准备过程扫描上方二维码，即可咨询前沿设备！参考文献：1. Meyns M, Primpke S, Gerdts G. Library based identification and characterisation of polymers with nano-FTIR and IR-sSNOM imaging [J]. Analytical Methods, 2019, 11: 5195-5202.2. Grossmann L, King B T, Reichlmaier S, et al. On-Surface Photopolymerization of Two-Dimensional Polymers Ordered on the Mesoscale [J]. Nature Chemistry, 2021, 13: 730-736.3. Lu Y, Larson J M, Baskin A, et al. Infared Nanospectroscopy at the Graphene-Electrolyte Interface [J]. Nano Letters, 2019, 19: 5388-5393.4. Amenabar I, Poly S, Goikoetxea M, et al. Hyperspectral Infared Nanoimaging of Organic Samples based on Fourier Transform Infared Nanospectroscopy [J]. Nature Communications, 2017, 8: 14402.直播预告报告简介如何实现在纳米尺度下对材料进行无损化学成分鉴定是现代化学的一大科研难题。现有的一些高分辨成像技术，如电镜或扫描探针显微镜等，这些技术鉴定化学成分的能力较弱。另一方面，红外光谱具有很高的化学敏感度，但是其空间分辨率却由于受到二分之一波长的衍射极限限制，只能达到微米级别，因此也无法进行纳米级别的化学鉴定。德国neaspec公司利用其独有的散射型近场光学技术发展出纳米傅里叶红外光谱nano-FTIR，这一技术综合了原子力显微镜的高空间分辨率和傅里叶红外光谱的高化学敏感度，得到的红外光谱与传统FTIR和衰弱全反射ATR-IR的红外光谱有极高的对应度，因此可以在纳米尺度下实现对几乎所有材料的化学分析，分辨率高达10 nm。本报告详细阐述了纳米傅里叶红外光谱仪nano-FTIR的基本原理、技术特点及在Science、Nature Communications、Nano Letters等顶尖期刊上的前沿应用案例，展现了其在纳米尺度下进行化学分析的巨大前景。主讲人张瑞显 博士化学专业博士，毕业于美国伊利诺伊大学厄本那香槟分校。主要研究方向为新型材料的表面光谱表征及在能源存储领域的应用。在Quantum Design中国子公司，从事表面光谱相关设备的产品推广、客户挖掘及销售业务。直播入口扫描上方二维码无需报名直接观看！报告时间2021年10月18日14：00-14：30

背景介绍傅里叶红外光谱（FTIR）是学术界以及工业界表征鉴别材料的常用手段。衰弱全反射红外光谱（ATR-IR）是用于材料的宏观化学信息分析的技术。该技术将样品压在衰弱全反射（ATR）晶体表面，通过红外光在晶体/样品界面的反射得到高分子样品的吸收光谱。然而，ATR-IR的空间分辨率受到光的衍射限的限制，并不能得到样品纳米别的化学信息，因此无法用于材料微观化学信息的研究。近年来，新兴起的纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR因可在纳米尺度下实现对几乎所有材料的化学分辨而受到广泛关注。该技术是基于全新的散射式近场光学技术（s-SNOM）研发的，能够在10 nm的空间分辨率下实现对材料的红外光谱表征，且得到的光谱与传统FTIR，ATR-IR的红外光谱有高的对应性。同时，该技术具有无损伤、无需染色标记、快速且适用性广等优点，是纳米别的化学分析利器。图1. neaspec散射式近场光学显微镜（s-SNOM）及纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR 必看案例 案例1：高分子纳米材料的鉴别及与传统红外光谱数据库的对照德国阿尔弗雷德纬格纳研究所的Gerdts教授利用散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）对高分子材料进行了微观鉴别的研究。该课题组测量了高分子样品的近场红外成像以及红外吸收光谱，得到了高分子材料的纳米分辨率的相分布信息。同时，该团队测量了常见高分子的近场吸收光谱，并与通过ATR-IR得到的吸收光谱进行比较，发现用neaspec Nano-FTIR得到的近场吸收光谱与ATR-IR得到的光谱有高的对应度，可直接对照传统IR光谱数据库。因此，散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）可应用于纳米高分子及环境中高分子样品的鉴别。相关研究成果发表于Analytical Methods, 2019, 11: 5195-5202。图2. LDPE聚合物颗粒PS介质混合物样品的光学超分辨成像。(a) 拓扑结构成像以及对应的(b) 机械信号的相位图和 (c) 近场红外的振幅图。(d) 通过 (c) 中所示路径的直线扫描得到的在1300 - 1700 cm-1区域内的近场红外的相位图。(e) LDPE和PS区域对应的近场红外的相位图。(f) 和 (g) 分别对应 (c) 中A, B区域的高分辨率近场红外相位图。可以看到LDPE/PS界面的近场红外的相位图中峰的移动。图3. (a) 用Nano-FTIR得到的PLA样品对应的近场红外的振幅(Sn)，实部(Re)，相位(φn)，虚部(Im)图。所得结果为三个样品点结果的均值，测量用时为7分钟。(b) Nano-FTIR得到的近场红外的虚部(Im)图与ATR-IR得到的PLA样品的光谱的对照。Nano-FTIR与ATR-IR得到的光谱高度吻合。 案例2：纳米傅里叶红外光谱仪（Nano-FTIR）对单层二维高分子聚合物的研究二维高分子聚合物作为一种新型有机二维材料，近年来在薄膜和电子设备的应用上受到广泛关注。相较于石墨烯由石墨自上而下的剥离合成路径，二维聚合物的合成路径可以采取自下而上的单体聚合反应，也因此具备更大的灵活性。如何优化合成路径以得到高品质的二维高分子聚合物是目前该领域的重大挑战之一。德国慕尼黑技术大学的Lackinger教授开发了一种有机单体分子自组装的光聚合合成路线，并利用纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）对fantrip单体分子和其聚合物进行了吸收光谱的研究，验证了聚合反应的机理。该合成方法与传统的热聚合方法相比，大大减少了二维聚合物的缺陷密度，提升了材料均一性。相关研究成果发表于Nature Chemistry, 2021, 13: 730-736。研究人员利用纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）的近场光学技术的高灵敏度，测量了fantrip有机单体分子及其二维聚合物的纳米傅里叶红外吸收光谱。所得光谱与DFT计算结果一致，证明了单体分子参与光聚合反应形成二维高分子。该技术得到的近场吸收光谱与传统FTIR光谱对应，而传统FTIR或ATR-IR的灵敏度无法测量该单层分子材料的吸收光谱。同时，纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）的近场光学技术采用纯光学信号测量，而非基于材料热膨胀系数的机械信号。该技术灵敏度高，可测量热膨胀系数低的材料，如二维材料，无机材料等。且对薄膜样品的破坏性小，因此可用于单层分子自组装材料的研究。 图4. Fantrip单体分子（上）及其二维聚合物（下）的纳米傅里叶红外吸收光谱。柱形图为DFT计算得到的fantrip单体分子（红色）及其二维聚合物（蓝色）所对应的红外吸收光谱。 案例3：石墨烯电解液界面的纳米红外研究ATR-IR是应用于电电解液的原位界面表征的常用方法。然而该技术的探测深度在微米别，而电电解液的界面，如双电层，一般在纳米别。因此ATR-IR得到的界面光谱信号受到电解液主体信号的严重干扰。加州大学伯克利分校的Salmeron教授利用nano-FTIR对石墨烯电解液界面进行原位研究，通过nano-FTIR可达10 nm的超高空间分辨率(探测深度)，对非热膨胀样品（石墨烯）的高敏感度，及无损伤的特点，实现了对单层石墨烯电解液界面的原位表征，真正获得了双电层的化学信息。研究人员发现，相较于传统的ATR-IR，nano-FTIR的红外光谱中可观测到界面有的离子配位体，这得益于nano-FTIR的高灵敏度与高空间分辨率。同时，nano-FTIR支持样品台的接电设计，研究人员通过改变石墨烯电的电压，观测到红外光谱的变化，说明了界面化学成分的变化，即双电层的变化。相关研究成果发表于Nano Letters, 2019, 19: 5388-5393.图5. 单层石墨烯电解液nano-FTIR原位研究实验设计示意图。 图6.（a）ATR-FTIR和nano-FTIR的(NH4)2SO4水溶液红外光谱。（b）nano-FTIR在+0.5V和0V vs. Pt的红外光谱。0V数据取2个位置共64组光谱的平均值，+0.5V数据取5个位置共112组光谱的平均值。案例4：对多组分高分子材料的纳米成分分析西班牙巴斯克大学的Hillenbrand教授利用nano-FTIR实现了多组分高分子材料的纳米成分分析。研究人员通过检测聚苯乙烯（PS），聚丙烯酸（AC）以及聚偏氟乙烯（FP）混合样品的纳米区域的红外光谱，并与标准样品的纳米红外光谱做对比，得到样品组分的纳米分布图，分辨率达到了30 nm。通过分析样品C-F（1195cm-1），C=O（1740cm-1）及C-O（1155cm-1）峰的强度及波数的空间分布图，可得到对应的高分子组分及组成结构的空间分布。相关研究成果发表于Nature Communications, 2017, 8，14402. Nano-FTIR可以得到材料纳米分辨率的化学信息，分辨率高可达10 nm，是传统FTIR和ATR-IR无法企及的。图7. nano-FTIR对高分子复合材料的表征。包括（a）拓扑结构成像，（b）相应位置的纳米红外光谱，以及（c），（d）基于纳米红外光谱的组分分布图。 纳米傅里叶红外光谱仪nano-FTIR的技术优势：☛ 大地突破了传统红外光谱的空间分辨率限，可达10 nm；☛ 得到的谱图与传统红外谱图有高的一致性；☛ 探测光学信号而非机械信号，灵敏度高，适用于热膨胀系数低的系统；☛ 可同时得到光谱及成像结果；☛ 测样时间短；☛ 操作和样品准备简单——仅需要常规的AFM样品准备过程。 参考文献：1. Meyns M, Primpke S, Gerdts G. Library based identification and characterisation of polymers with nano-FTIR and IR-sSNOM imaging [J]. Analytical Methods, 2019, 11: 5195-5202.2. Grossmann L, King B T, Reichlmaier S, et al. On-Surface Photopolymerization of Two-Dimensional PolymersOrdered on the Mesoscale [J]. Nature Chemistry, 2021, 13: 730-736.3. Lu Y, Larson J M, Baskin A, et al. Infared Nanospectroscopy at the Graphene-Electrolyte Interface [J]. Nano Letters, 2019, 19: 5388-5393.4. AmenabarI, Poly S, Goikoetxea M, et al. Hyperspectral Infared Nanoimaging of Organic Samples based on Fourier Transform Infared Nanospectroscopy [J]. Nature Communications, 2017, 8: 14402.