TFM-IR技术，发现二维材料隐秘的纳米化学信息

马里兰大学（UMD）的研究人员通过让微观探针快速往复扭转，开发出一种全新检测手段，能够捕捉材料受红外光激励发生形变时表面的细微变化，该论文发表于《自然‑通讯》期刊。

研究人员介绍了一种可获取高分辨率图像的新技术，即红外扭转力显微镜，简称TFM‑IR。该技术可以将近纳米级精度测量材料受红外光照射发生拉伸、形变时的表面状态。红外属于不可见光，极易被各类化学键吸收，并促使化学键发生振动。这也是首套能够以如此高的精度，同时测量光诱发产生的纵向与横向振动的实验技术。

马里兰大学开展的新型红外扭转力显微镜（TFM‑IR）实验示意图。样品放置于深灰色圆盘上，由红外激光脉冲照射。微探针安装在长悬臂上快速往复扭转，扫描材料表面，采集材料对光的响应信号。另一束激光打在悬臂上，检测探针扭转运动的微小变化，以此获得样品表面的精细图像。

“我们攻克了光学成像领域一项长期存在的技术局限。” 该项目负责人、马里兰大学物理学教授Min Ouyang表示，他同时任职于量子材料中心与马里兰纳米中心。“现代量子材料诸多优异特性，来源于仅几纳米甚至更小尺度内的结构变化，传统光学显微镜无法分辨这类微观变化。”

Ouyang及其团队开发的这套方法建立在原子力显微镜（AFM）的基础之上。原子力显微镜诞生于上世纪80年代，现已成为一种标准技术，可极高精度表征材料样品表面。与传统显微镜不同，原子力显微镜的工作原理更类似人的指尖，而非人眼。它不依靠透镜收集光线成像，而是用微小探针扫描材料表面，感知表面凹凸带来的作用力。该技术可分辨小于1纳米的结构，条件合适时甚至能够观测单个原子。

但单纯依靠原子力显微镜，只能获取材料表面形貌：它能感知这里高、那里低，却无法得到样品化学成分相关信息。为获知材料组分，研究人员通常利用红外光激发样品产生振动，再借助原子力显微镜探针捕捉表面变化。由于化学键对红外光会产生可预测的响应，将原子力显微镜与红外光结合，就可以识别特定分子特征，既可以确认样品组分，也能够检测微量杂质。

“当你向样品打光，样品就会产生极其微弱的热膨胀。” 论文第一作者、马里兰大学物理学研究生Yonatan Gazit说道，“原子力显微镜本质上就是测量这种热膨胀，以此判断样品对光的吸收与相互作用强弱。”

现代原子力显微镜的锋利探针安装在细悬臂的下方，悬置于样品上方。电子器件驱动悬臂上下运动，带动探针按固定节律轻敲样品表面。敲击模式可以避免探针卡在凸起位置，防止损伤被测材料；同时敲击频率与红外振动频率接近，可以提升对红外振动的检测灵敏度。探针扫描样品表面时，材料受光发生形变并反推探针，会改变原有敲击节律。研究人员将激光打在振动的悬臂上，监测悬臂运动，以此捕捉敲击频率的微弱改变。

敲击模式非常适合高精度测量高度，但很难检测材料横向的伸缩形变。2024年，斯坦福大学团队在《美国国家科学院院刊》发表论文，证实若将原子力显微镜探针按固定频率扭转，而非采用敲击模式，就可以测量双层石墨烯表面此前无法探测的微观变化。双层石墨烯由两层呈蜂窝六边形排布的碳原子堆叠而成，该团队将这项技术命名为扭转力显微镜（TFM）。

两张双层石墨烯的扭转力显微镜（TFM）图像。左图：标准TFM成像，呈现材料标志性的蜂窝晶格；右图：新开发的TFM‑IR技术，得到更多关于表面化学对红外光响应的细节。

受到上述成果启发，Gazit、Ouyang与同事设计实验，将红外光照射与探针扭转技术相结合。探针往复扭转的同时，红外激光脉冲周期性照射小块材料样品。样品吸收脉冲的部分能量，发生膨胀并产生振动。通过调整激光脉冲频率，也就是每秒照射到样品上的脉冲数量，探针就可以选择性采集纵向或者横向的形变信号，原理类似频闪灯，可以选择性捕捉或者冻结特定类型的运动。

为完成概念验证，研究团队选用云母薄片开展测试。云母是一种具有光泽的片状矿物，广泛用于石膏板、轮胎、工业窑炉防火材料等产品制造。选用云母，一方面是人们对它已有充分研究；另一方面云母内部化学键朝向各不相同，非常适合测量红外光诱发的纵向、横向两类振动。

研究团队成功观测到云母的四种振动模式，并且证明，通过调整红外激光脉冲频率，就可以区分横向与纵向运动。他们选取一处仅数纳米高的微小凸起 —— 云母纳米气泡，操控探针从气泡中心逐步扫描至边缘。将实测结果，与气泡受应力隆起后横向、纵向振动的仿真结果进行对比，发现红外光强响应最强的位置，实验数据和理论模拟能够互相吻合。

随后团队将研究对象转向双层石墨烯，也就是当初催生扭转力显微镜技术的研究材料。二十多年来，石墨烯凭借独特电学与力学特性，一直备受科研人员关注。当两层石墨烯发生小角度旋转堆叠，材料特性会变得更加特别，形成莫尔材料。2018年，科研人员发现，在特定堆叠角度下，石墨烯莫尔超晶格会转变为理想导体，出现量子效应，实现超导。

但该效应的微观起源一直尚不明确。莫尔材料仅有数个原子厚度，带来奇特物性的晶格微小变化，仅靠扫描表面高度无法揭示。2024年提出的探针扭转方案，为这类原子级厚度材料提供了全新成像思路。

在本篇新论文中，团队研究了小角度堆叠的双层石墨烯样品。针对同一样品的同一位置，分别采集标准TFM图像与TFM‑IR图像。标准TFM图像可以清晰看到六边形晶格结构，而TFM‑IR图像呈现出大量额外信息。它不再只展示晶格形貌，还首次观测到单个六边形结构内部不同化学键对红外光的响应，包含石墨烯单层内部键合以及两层之间的键合，得到该材料独有的振动指纹。理解这套指纹，以及堆叠角度改变带来的指纹变化，对解析莫尔材料及其物性至关重要。

“我们的技术在一次测量中集成了三种少见的能力。”Ouyang表示，“第一，把光学成像与光谱技术拓展至纳米尺度，空间分辨率接近1纳米。第二，可以分辨材料内部的方向依赖响应，能够捕捉传统技术无法识别的各向异性特性。第三，可以获得每种材料独有的光谱指纹。换句话说，这项技术不只看到材料长什么样，还可以识别材料组分，并且以纳米精度测绘材料对光的响应，揭示支配材料行为的隐藏物理过程。”

Ouyang及其团队希望该技术未来可以成为材料表征乃至材料设计的重要工具，同时强调该技术可在室温条件下工作。对半导体企业而言，TFM‑IR具备很高实用价值，芯片行业一直在寻找可以检测芯片缺陷的手段。作者表示，这套能够测绘局域化学力学特征的技术，可助力先进制造工艺迭代，还有望帮助科研人员优化下一代纳米器件，包含量子传感器与光量子计算机。