结合原子力显微镜和开尔文探针力显微镜进行元素鉴定

目前还没有将原子分辨率成像与元素灵敏度和单分子化学指纹识别相结合的实验技术。在非接触式原子力显微镜 (nc-AFM) 中使用分子修饰尖端的出现使得以原子分辨率对（平面）分子进行成像成为可能。

然而，与钝化尖端进行元素对比的机制尚不完全清楚。在这里，我们通过对 Ir(111) 上的外延单层六方氮化硼 (hBN) 进行 nc-AFM 和开尔文探针力显微镜 (KPFM) 实验来研究元素对比度。 hBN 覆盖层是惰性的，连接最邻近的硼和氮原子的面内键具有很强的共价特性，键长仅为 ∼1.45 Å。

然而，频移 Δf 和局部接触电势差的恒定高度图都表现出惊人的亚晶格不对称性。我们通过与基于密度泛函理论优化的 hBN/Ir(111) 几何形状的 nc-AFM 图像模拟进行比较，将不同的原子位点与观察到的对比度进行比较，从而产生有关原子尺度对比度起源的详细信息。

图1. (a−h) 距离相关的恒定高度 nc-AFM 图像，尖端与样本距离不断减小。设定点：0.10 V，0.31 nA。 (i) 恒定高度 nc-AFM 图像，指示 Δf(z) 谱的位置。 (j) 两个不等顶位点（绿色、红色）和中空位点（蓝色）的平均 Δf(z) 光谱，根据在面板 (i) 中标记的位置处获取的各个光谱计算得出。设定点：0.05 V，0.30 nA。 (k) 两个顶部位点之间的 Δf(z) 差异（绿色 - 红色 = 黑色）和相应的力差异（洋红色，半透明：原始数据；实心：相邻平均）。请注意，(a)-(h) 中的数据是使用与 (i)-(k) 中的数据不同的 CO/Cu 尖端获取的【1】。

图1a−h 显示了一系列依赖于距离的恒定高度 nc-AFM 图像，覆盖 1.6 Å 的 z 范围。在非常远的距离处（图 a），没有观察到原子对比度，但只观察到长程莫尔波纹。接近表面（图 b）时，会出现 Δf 负值较小的六边形图案，类似于图 1c。在进一步减小尖端与样品的距离（图 c-e）时，每隔一个中空位点也开始表现出较小的负 Δf，从而形成具有三个不同位点的晶格。在非常近的距离处（面板 f−h），具有较小负 Δf 的两个位点的强度彼此接近并相等。由于这两个位点的大小不同，因此产生了排斥三角形的六方晶格，我们将其解释为六方氮化硼的原子晶格。

因此，在远距离观察到的负值较小的 Δf 位置（图1b）并不对应于原子 hBN 晶格的中空位置，看起来吸引力较小，但两个顶部位置之一看起来更排斥。使用在 Cu(111) 上制备的几个宏观上不同的 CO 尖端以及在 Ir(111) 上制备的 CO 尖端再现了原子对比度的这种演变 。

因此，观察到的对比度是固有的，与尖端伪影无关。上述观察揭示了 hBN 的 nc-AFM 图像中硼和氮亚晶格之间存在明显的不对称性。可以通过测量作为尖端样本距离 [Δf(z)] 函数的频移来量化这种不对称性，如图1i、j 所示。图1j 中的图表显示了三个不同位点的 Δf(z) 光谱，每个位点都是图1i 中标记的三个等效位置的平均值（参见各个光谱的 SI）。在图1k 中，我们绘制了 hBN 晶格的两个不等价顶位（绿色、红色）之间的差异（黑色）以及通过 Sader−Jarvis 方法从 Δf 恢复的相应力差异（洋红色）。 61 取相邻平均根据力数据，典型成像距离下硼和氮亚晶格之间的差异不超过 10 pN。请注意，Δf(z) 接近曲线的尖端-样本距离比图1a-h 中的图像更小，但我们在如此小的距离成像时观察到尖端-样本连接处的不稳定性。

【1】Elemental Identification by Combining Atomic Force Microscopy and Kelvin Probe Force Microscopy Fabian Schulz, Juha Ritala, Ondrej Krejčí, Ari Paavo Seitsonen, Adam S. Foster, and Peter Liljeroth ACS Nano 2018 12 (6), 5274-5283 DOI: 10.1021/acsnano.7b08997

科学指南针以分析测试为核心，提供材料测试、环境检测、生物服务、模拟计算、科研绘图等多项科研产品，累计服务1800+个高校、科研院所及6000+家企业，获得了60万科研工作者的信赖。始终秉持“全心全意服务科研，助力全球科技创新”的使命，致力于为高校、院所、医院、研发型企业等科研工作者提供专业、快捷、全方位的服务。

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。