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利用二次谐波 Kelvin 探针力显微镜对聚合物纳米复合材料进行深度敏感的亚表面成像。

Depth-sensitive subsurface imaging of polymer nanocomposites using second harmonic Kelvin probe force microscopy.

机构信息

†Department of Electrical and Electronic Engineering and Centro de Microelectrónica (CMUA), Universidad de los Andes, Bogotá 11001, Colombia.

出版信息

ACS Nano. 2015 Mar 24;9(3):2938-47. doi: 10.1021/nn507019c. Epub 2015 Feb 20.

Abstract

We study the depth sensitivity and spatial resolution of subsurface imaging of polymer nanocomposites using second harmonic mapping in Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). This method allows the visualization of the clustering and percolation of buried Single Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs) via capacitance gradient (∂C/∂z) maps. We develop a multilayered sample where thin layers of neat Polyimide (PI) (∼80 nm per layer) are sequentially spin-coated on well-dispersed SWCNT/Polyimide (PI) nanocomposite films. The multilayer nanocomposite system allows the acquisition of ∂C/∂z images of three-dimensional percolating networks of SWCNTs at different depths in the same region of the sample. We detect CNTs at a depth of ∼430 nm, and notice that the spatial resolution progressively deteriorates with increasing depth of the buried CNTs. Computational trends of ∂C/∂z vs CNT depth correlate the sensitivity and depth resolution with field penetration and spreading, and enable a possible approach to three-dimensional subsurface structure reconstruction. The results open the door to nondestructive, three-dimensional tomography and nanometrology techniques for nanocomposite applications.

摘要

我们使用 Kelvin 探针力显微镜 (KPFM) 中的二次谐波映射研究了聚合物纳米复合材料的亚表面成像的深度灵敏度和空间分辨率。该方法允许通过电容梯度 (∂C/∂z) 图可视化埋入的单壁碳纳米管 (SWCNT) 的聚集和渗滤。我们开发了一种多层样品,其中薄的聚酰亚胺 (PI) 层(每层约 80nm)顺序旋涂在分散良好的 SWCNT/聚酰亚胺 (PI) 纳米复合材料薄膜上。该多层纳米复合材料系统允许在样品的同一区域的不同深度处获取 SWCNT 三维渗滤网络的 ∂C/∂z 图像。我们在约 430nm 的深度检测到 CNT,并注意到随着埋入 CNT 深度的增加,空间分辨率逐渐恶化。∂C/∂z 与 CNT 深度的计算趋势将灵敏度和深度分辨率与电场穿透和扩展相关联,并为三维亚表面结构重建提供了一种可能的方法。这些结果为纳米复合材料应用中的非破坏性、三维层析成像和纳米计量技术打开了大门。

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