注册 English

qPlus型非接触原子力显微技术进展及前沿应用

刘梦溪 ,  李世超 ,  查泽奇 ,  裘晓辉

downloadPDF
引用本文: 刘梦溪,  李世超,  查泽奇,  裘晓辉. qPlus型非接触原子力显微技术进展及前沿应用[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 183-197. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609282 shu
Citation:  LIU Meng-Xi,  LI Shi-Chao,  ZHA Ze-Qi,  QIU Xiao-Hui. Research Progress and Applications of qPlus Noncontact Atomic Force Microscopy[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(1): 183-197. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609282 shu

qPlus型非接触原子力显微技术进展及前沿应用

  • 1.

    中国科学院纳米标准与检测重点实验室, 中国科学院纳米科学卓越创新中心, 国家纳米科学中心, 北京 100190;

  • 2.

    中国科学院大学, 北京 100049

    • 作者简介: 刘梦溪,2015年毕业于北京大学化学与分子工程学院,师从刘忠范院士和张艳锋研究员,获得理学博士学位。现任职于国家纳米科学中心裘晓辉课题组,助理研究员。主要研究方向为:(1)表面分子组装及在位化学反应研究;(2)表面低维材料的构筑及扫描探针显微学研究;李世超,现为国家纳米科学中心裘晓辉课题组博士研究生。主要研究方向为基于扫描探针技术研究表面分子组装及在位化学反应;查泽奇,现为国家纳米科学中心裘晓辉课题组博士研究生。主要方向为基于扫描探针技术研究分子/原子间弱相互作用;裘晓辉,国家纳米科学中心研究员,博士生导师。2006年入选中国科学院"百人计划",2009年入选第三世界科学院青年会士,2014年获得国家杰出青年基金。主要研究领域为:(1)单分子体系的物理化学性质和量子效应研究;(2)纳米结构电学性质的扫描探针测量方法研究;(3)低维材料的光、电性质研究与纳米器件。;



  • 基金项目:

    科技部（2012CB933001）和国家自然科学基金（21425310）项目资助

摘要: 原子力显微镜（AFM）通过探测针尖与样品之间的相互作用力获得样品表面的结构信息。基于qPlus传感器的非接触原子力显微镜（NC-AFM）在传统AFM的基础上进一步提升了空间分辨率，为研究表面物理和化学过程提供了一种新的成像和谱学研究技术。本文首先介绍NC-AFM的基本构造、高分辨成像机制和力谱测量等工作原理，总结了近年来NC-AFM在表面在位化学反应、低维材料表征和表面电荷分布测量等方面的应用，探讨了NC-AFM技术的发展与完善，展望了NC-AFM面临的机遇和挑战。

English

    1. [1]

      Binnig, G.; Rohrer, H.; Gerber, C.; Weibel, E. Phys. Rev. Lett. 1982, 49 (1), 57. doi: 10.1103/PhysRevLett.49.57

    2. [2]

      Binnig, G.; Quate, C. F.; Gerber, C. Phys. Rev. Lett. 1986, 56 (9), 930. doi: 10.1103/PhysRevLett.56.1335

    3. [3]

      Gross, L.; Mohn, F.; Moll, N.; Liljeroth, P.; Meyer, G. Science 2009, 325 (5944), 1110. doi: 10.1126/science.1176210

    4. [4]

      Albrecht, T.; Grütter, P.; Horne, D.; Rugar, D. J. Appl. Phys. 1991, 69 (2), 668. doi: 10.1063/1.347347

    5. [5]

      Giessibl, F. J. Rev. Mod. Phys. 2003, 75 (3), 949. doi: 10.1103RevModPhys.75.949

    6. [6]

      Yuan, B. K.; Chen, P. C.; Zhang, J.; Cheng, Z. H.; Qiu, X. H.; Wang, C. Acta Phys.-Chim. Sin. 2013, 29 (7), 1370. [袁秉凯, 陈鹏程, 仉君, 程志海, 裘晓辉, 王琛. 物理化学学报, 2013, 29 (7), 1370.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201304191

    7. [7]

      Giessibl, F. J. Appl. Phys. Lett. 1998, 73 (26), 3956. doi: 10.1063/1.122948

    8. [8]

      Babic, B.; Hsu, M. T.; Gray, M. B.; Lu, M.; Herrmann, J. Sens. Actuators A Phys. 2015, 223, 167. doi: 10.1016/j.sna.2014.12.028

    9. [9]

      Melcher, J.; Stirling, J.; Shaw, G. A. Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6 (1), 1733. doi: 10.3762/bjnano.6.177

    10. [10]

      Moll, N.; Gross, L.; Mohn, F.; Curioni, A.; Meyer, G. New J. Phys. 2010, 12 (12), 125020. doi: 10.1088/1367-2630/12/12125020

    11. [11]

      Moll, N.; Gross, L.; Mohn, F.; Curioni, A.; Meyer, G. New J. Phys. 2012, 14 (8), 083023. doi: 10.1088/1367-2630/14/8083023

    12. [12]

      Gross, L.; Mohn, F.; Moll, N.; Schuler, B.; Criado, A.; Guitián, E.; Peña, D.; Gourdon, A.; Meyer, G. Science 2012, 337 (6100), 1326. doi: 10.1126/science.1225621

    13. [13]

      Sweetman, A.; Jarvis, S.; Sang, H.; Lekkas, I.; Rahe, P.; Wang, Y.; Wang, J.; Champness, N.; Kantorovich, L.; Moriarty, P. Nat. Commun. 2014, 5. doi: 10.1038/ncomms4931

    14. [14]

      Huber, F.; Matencio, S.; Weymouth, A. J.; Ocal, C.; Barrena, E.; Giessibl, F. J. Phys. Rev. Lett. 2015, 115 (6), 066101. doi: 10.1103/PhysRevLett.115.066101

    15. [15]

      Iwata, K.; Yamazaki, S.; Mutombo, P.; Hapala, P.; Ondracek, M.; Jelínek, P.; Sugimoto, Y. Nat. Commun. 2015, 6. doi: 10.1038/ncomms8766

    16. [16]

      Jarvis, S. P.; Sweetman, A.; Lekkas, I.; Champness, N. R.; Kantorovich, L.; Moriarty, P. J. Phys. Condens. Matter 2014, 27 (5), 054004. doi: 10.1088/0953-8984/27/5/054004

    17. [17]

      Schuler, B.; Meyer, G.; Pena, D.; Mullins, O. C.; Gross, L. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (31), 9870. doi: 10.1021jacs.5b04056

    18. [18]

      Zhang, J.; Chen, P.; Yuan, B.; Ji, W.; Cheng, Z.; Qiu, X. Science 2013, 342 (6158), 611. doi: 10.1126/science.1242603

    19. [19]

      Kawai, S.; Sadeghi, A.; Xu, F.; Peng, L.; Orita, A.; Otera, J.; Goedecker, S.; Meyer, E. ACS Nano 2015, 9 (3), 2574. doi: 10.1021/nn505876n

    20. [20]

      Hapala, P.; Kichin, G.; Wagner, C.; Tautz, F. S.; Temirov, R.; Jelínek, P. Phys. Rev. B 2014, 90 (8), 085421. doi: 10.1103PhysRevB.90.085421

    21. [21]

      Hämäläinen, S. K.; van der Heijden, N.; van der Lit, J.; denHartog, S.; Liljeroth, P.; Swart, I. Phys. Rev. Lett. 2014, 113 (18), 186102. doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102

    22. [22]

      Emmrich, M.; Huber, F.; Pielmeier, F.; Welker, J.; Hofmann, T.; Schneiderbauer, M.; Meuer, D.; Polesya, S.; Mankovsky, S.; Ködderitzsch, D. Science 2015, 348 (6232), 308. doi: 10.1126science.aaa5329

    23. [23]

      Jarvis, S. P. Int. J. Mol. Sci. 2015, 16 (8), 19936. doi: 10.3390ijms160819936

    24. [24]

      Guo, C. S.; Xin, X.; van Hove, M. A.; Ren, X.; Zhao, Y. J. Phys. Chem. C 2015, 119 (25), 141950. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b02649

    25. [25]

      Jarvis, S. P.; Rashid, M. A.; Sweetman, A.; Leaf, J.; Taylor, S.; Moriarty, P.; Dunn, J. Phys. Rev. B 2015, 92 (24), 241405. doi: 10.1103/PhysRevB.92.241405

    26. [26]

      Neu, M.; Moll, N.; Gross, L.; Meyer, G.; Giessibl, F. J.; Repp, J.Phys. Rev. B 2014, 89 (20), 205407. doi: 10.1103PhysRevB.89.205407

    27. [27]

      Kawai, S.; Haapasilta, V.; Lindner, B.; Tahara, K.; Spijker, P.; Buitendijk, J.; Pawlak, R.; Meier, T.; Tobe, Y.; Foster, A.; Meyer, E. Nat. Commun. 2016, 7. doi: 10.1038/ncomms12711

    28. [28]

      Guo, C. S.; Van Hove, M. A.; Ren, X.; Zhao, Y. J. Phys. Chem. C 2015, 119 (3), 1483. doi: 10.1021/jp511214e

    29. [29]

      Kim, M.; Chelikowsky, J. R. Appl. Phys. Lett. 2015, 107 (16), 163109. doi: 10.1063/1.4934273

    30. [30]

      Tsai, H. Z.; Omrani, A. A.; Coh, S.; Oh, H.; Wickenburg, S.; Son, Y.W.; Wong, D.; Riss, A.; Jung, H. S.; Nguyen, G. D. ACS Nano 2015, 9 (12), 12168. doi: 10.1021/acsnano.5b05322

    31. [31]

      Sader, J. E.; Jarvis, S. P. Appl. Phys. Lett. 2004, 84 (10), 1801. doi: 10.1063/1.1667267

    32. [32]

      Kuhn, S.; Rahe, P. Phys. Rev. B 2014, 89 (23), 235417. doi: 10.1103/PhysRevB.89.235417

    33. [33]

      Gao, D. Z.; Grenz, J.; Watkins, M. B.; Federici Canova, F.; Schwarz, A.; Wiesendanger, R.; Shluger, A. L. ACS Nano 2014, 8 (5), 5339. doi: 10.1021/nn501785q

    34. [34]

      Sugimoto, Y.; Pou, P.; Abe, M.; Jelinek, P.; Pérez, R.; Morita, S.; Custance, O. Nature 2007, 446 (7131), 64. doi: 10.1038nature05530

    35. [35]

      Lantz, M.; Hug, H.; Hoffmann, R.; Van Schendel, P.; Kappenberger, P.; Martin, S.; Baratoff, A.; Güntherodt, H. J.Science 2001, 291 (5513), 2580. doi: 10.1126/science.1057824

    36. [36]

      Kawai, S.; Foster, A. S.; Björkman, T.; Nowakowska, S.; Björk, J.; Canova, F. F.; Gade, L. H.; Jung, T. A.; Meyer, E. Nat. Commun. 2016, 7. doi: 10.1038/ncomms11559

    37. [37]

      Mohn, F.; Schuler, B.; Gross, L.; Meyer, G. Appl. Phys. Lett. 2013, 102 (7), 073109. doi: 10.1063/1.4793200

    38. [38]

      Monig, H.; Hermoso, D. R.; Díaz Arado, O.; Todorovic, M.; Timmer, A.; Schuer, S.; Langewisch, G.; Pérez, R.; Fuchs, H.ACS Nano 2016, 10 (1), 1201. doi: 10.1021/acsnano.5b06513

    39. [39]

      Temirov, R.; Soubatch, S.; Neucheva, O.; Lassise, A.; Tautz, F.New J. Phys. 2008, 10 (5), 053012. doi: 10.1088/1367-2630/105/053012

    40. [40]

      Weiss, C.; Wagner, C.; Kleimann, C.; Rohlfing, M.; Tautz, F.; Temirov, R. Phys. Rev. Lett. 2010, 105 (8), 086103. doi: 10.1103PhysRevLett.105.086103

    41. [41]

      Eigler, D. M.; Lutz, C.; Rudge, W. Nature 1991, 352 (15), 600. doi: 10.1038/352600a0

    42. [42]

      Neu, B.; Meyer, G.; Rieder, K. H. Mod. Phys. Lett. B 1995, 9 (15), 963. doi: 10.1142/S0217984995000929

    43. [43]

      Yazdani, A.; Eigler, D.; Lang, N. Science 1996, 272 (5270), 1921. doi: 10.1126/science.272.5270.1921

    44. [44]

      Bartels, L.; Meyer, G.; Rieder, K. H. Appl. Phys. Lett. 1997, 71 (2), 213. doi: 10.1063/1.119503

    45. [45]

      Lee, H.; Ho, W. Science 1999, 286 (5445), 1719. doi: 10.1126science.286.5445.1719

    46. [46]

      Schneiderbauer, M.; Emmrich, M.; Weymouth, A. J.; Giessibl, F. J. Phys. Rev. Lett. 2014, 112 (16), 166102. doi: 10.1103PhysRevLett.112.166102

    47. [47]

      Sang, H.; Jarvis, S. P.; Zhou, Z.; Sharp, P.; Moriarty, P.; Wang, J.; Wang, Y.; Kantorovich, L. Sci. Rep. 2014, 4. doi: 10.1038srep06678

    48. [48]

      Repp, J.; Meyer, G.; Stojković, S. M.; Gourdon, A.; Joachim, C.Phys. Rev. Lett. 2005, 94 (2), 026803. doi: 10.1103PhysRevLett.94.026803

    49. [49]

      Gross, L.; Moll, N.; Mohn, F.; Curioni, A.; Meyer, G.; Hanke, F.; Persson, M. Phys. Rev. Lett. 2011, 107 (8), 086101. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.086101

    50. [50]

      Sun, Z.; Boneschanscher, M. P.; Swart, I.; Vanmaekelbergh, D.; Liljeroth, P. Phys. Rev. Lett. 2011, 106 (4), 046104. doi: 10.1103PhysRevLett.106.046104

    51. [51]

      Boneschanscher, M. P.; van der Lit, J.; Sun, Z.; Swart, I.; Liljeroth, P.; Vanmaekelbergh, D. l. ACS Nano 2012, 6 (11), 10216. doi: 10.1021/nn3040155

    52. [52]

      Ruffieux, P.; Wang, S.; Yang, B.; Sánchez-Sánchez, C.; Liu, J.; Dienel, T.; Talirz, L.; Shinde, P.; Pignedoli, C. A.; Passerone, D.; Dumslaff, T.; Feng, X.; Müllen, K.; Fasel, R. Nature 2016, 531 (7595), 489. doi: 10.1038/nature17151

    53. [53]

      Kawai, S.; Saito, S.; Osumi, S.; Yamaguchi, S.; Foster, A. S.; Spijker, P.; Meyer, E. Nat. Commun. 2015, 6. doi: 10.1038ncomms9098

    54. [54]

      Dienel, T.; Kawai, S.; Sode, H.; Feng, X.; Mullen, K.; Ruffieux, P.; Fasel, R.; Groning, O. Nano Lett. 2015, 15 (8), 5185. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b01403

    55. [55]

      Shiotari, A.; Liu, B. H.; Jaekel, S.; Grill, L.; Shaikhutdinov, S.; Freund, H. J.; Wolf, M.; Kumagai, T. J. Phys. Chem. C 2014, 118 (47), 27428. doi: 10.1021/jp509013p

    56. [56]

      Lichtenstein, L.; Heyde, M.; Freund, H. J. J. Phys. Chem. C 2012, 116 (38), 20426. doi: 10.1021/jp3062866

    57. [57]

      de Oteyza, Dimas. G.; Gorman, P.; Chen, Y. C.; Wickenburg, S.; Rise, A.; Mowbray, D. J.; Etkin, G.; Pedramrazi, Z.; Tsai; H. Z.; Rubio, A.; Crommie, M. F.; Fischer, F. R. Science 2013, 340 (6139), 1434. doi: 10.1126/science.1238187

    58. [58]

      Riss, A.; Wickenburg, S.; Gorman, P.; Tan, L. Z.; Tsai, H. Z.; deOteyza, D. G.; Chen, Y. C.; Bradley, A. J.; Ugeda, M. M.; Etkin, G. Nano Lett. 2014, 14 (5), 2251. doi: 10.1021/nl403791q

    59. [59]

      Pavlicek, N.; Schuler, B.; Collazos, S.; Moll, N.; Pérez, D.; Guitián, E.; Meyer, G.; Peña, D.; Gross, L. Nat. Chem. 2015, 7 (8), 623. doi: 10.1038/NCHEM.2300

    60. [60]

      Riss, A.; Paz, A. P.; Wickenburg, S.; Tsai, H. Z.; de Oteyza, D.G.; Bradley, A. J.; Ugeda, M. M.; Gorman, P.; Jung, H. S.; Crommie, M. F. Nat. Chem. 2016, 8, 678. doi: 10.1038NCHEM.2506

    61. [61]

      Majzik, Z.; Cuenca, A. B.; Pavlicek, N.; Miralles, N. R.; Meyer, G.; Gross, L.; Fernandez, E. ACS Nano 2016, 10 (5), 5340. doi: 10.1021/acsnano.6b01484

    62. [62]

      Albers, B. J.; Schwendemann, T. C.; Baykara, M. Z.; Pilet, N.; Liebmann, M.; Altman, E. I.; Schwarz, U. D. Nat. Nanotechnol. 2009, 4 (5), 307. doi: 10.1038/nnano.2009.57

    63. [63]

      Albrecht, F.; Pavlicek, N.; Herranz-Lancho, C.; Ruben, M.; Repp, J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (23), 7424. doi: 10.1021jacs.5b03114

    64. [64]

      Moreno, C.; Stetsovych, O.; Shimizu, T. K.; Custance, O. Nano Lett. 2015, 15 (4), 2257. doi: 10.1021/nl504182w

    65. [65]

      Altman, E. I.; Baykara, M. Z.; Schwarz, U. D. Acc. Chem. Res. 2015, 48 (9), 2640. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00166

    66. [66]

      Mohn, F.; Gross, L.; Moll, N.; Meyer, G. Nat. Nanotechnol. 2012, 7 (4), 227. doi: 10.1038/nnano.2012.20

    67. [67]

      Steurer, W.; Repp, J.; Gross, L.; Scivetti, I.; Persson, M.; Meyer, G. Phys. Rev. Lett. 2015, 114 (3), 036801. doi: 10.1103PhysRevLett.114.036801

    68. [68]

      Schuler, B.; Liu, S. X.; Geng, Y.; Decurtins, S.; Meyer, G.; Gross, L. Nano Lett. 2014, 14 (6), 3342. doi: 10.1103PhysRevLett.114.036801

    69. [69]

      Corso, M.; Ondracek, M.; Lotze, C.; Hapala, P.; Franke, K. J.; Jelínek, P.; Pascual, J. I. Phys. Rev. Lett. 2015, 115 (13), 136101. doi: 10.1103/PhysRevLett.115.136101

    70. [70]

      Moll, N.; Schuler, B.; Kawai, S.; Xu, F.; Peng, L.; Orita, A.; Otera, J.; Curioni, A.; Neu, M.; Repp, J. Nano Lett. 2014, 14 (11), 6127. doi: 10.1021/nl502113z

    71. [71]

      Albrecht, F.; Repp, J.; Fleischmann, M.; Scheer, M.; Ondracek, M.; Jelínek, P. Phys. Rev. Lett. 2015, 115 (7), 076101. doi: 10.1103/PhysRevLett.115.076101

    72. [72]

      Albrecht, F.; Fleischmann, M.; Scheer, M.; Gross, L.; Repp, J.Phys. Rev. B 2015, 92 (23), 235443. doi: 10.1103PhysRevB.92.235443

    73. [73]

      Gross, L.; Mohn, F.; Liljeroth, P.; Repp, J.; Giessibl, F. J.; Meyer, G. Science 2009, 324 (5933), 1428. doi: 10.1126science.1172273

    74. [74]

      González, L.; Oria, R.; Botaya, L.; Puig-Vidal, M.; Otero, J.Nanotechnology 2015, 26 (5), 055501. doi: 10.1088/0957-448426/5/055501

    75. [75]

      Churnside, A. B.; Perkins, T. T. FEBS Lett. 2014, 588 (19), 3621. doi: 10.1016/j.febslet.2014.04.033

    76. [76]

      Pielmeier, F.; Meuer, D.; Schmid, D.; Strunk, C.; Giessibl, F. J.Beilstein J. Nanotechnol. 2014, 5 (1), 407. doi: 10.3762bjnano.5.187

    77. [77]

      Falter, J.; Stiefermann, M.; Langewisch, G.; Schurig, P.; Hölscher, H.; Fuchs, H.; Schirmeisen, A. Beilstein J. Nanotechnol. 2014, 5 (1), 507. doi: 10.3762/bjnano.5.59

    78. [78]

      Schwarz, A.; Köhler, A.; Grenz, J.; Wiesendanger, R. Appl. Phys. Lett. 2014, 105 (1), 011606. doi: 10.1063/1.4890324

    79. [79]

      Melcher, J.; Stirling, J.; Cervantes, F. G.; Pratt, J. R.; Shaw, G.A. Appl. Phys. Lett. 2014, 105 (23), 233109. doi: 10.10631.4903801

    80. [80]

      Meza, J. M.; Polesel-Maris, J.; Lubin, C.; Thoyer, F.; Makky, A.; Ouerghi, A.; Cousty, J. Curr. Appl. Phys. 2015, 15 (9), 1015. doi: 10.1016/j.cap.2015.05.015

    81. [81]

      Li, R.; Ye, H.; Zhang, W.; Ma, G.; Su, Y. Sci. Rep. 2015, 5. doi: 10.1038/srep15828

    82. [82]

      Labidi, H.; Kupsta, M.; Huff, T.; Salomons, M.; Vick, D.; Taucer, M.; Pitters, J.; Wolkow, R. A. Ultramicroscopy 2015, 158, 33. doi: 10.1016/j.ultramic.2015.06.008

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  1071
  • HTML全文浏览量:  106
文章相关
  • 收稿日期:  2016-07-28
  • 修回日期:  2016-09-27
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net