Nanoscale mapping of molecular vibrational modes via vibrational noise spectroscopy

홍승훈 교수 연구팀은, 분자 진동모드를 나노스케일의 공간적 해상도로 측정하고 이미징하기 위한 새로운 방법인 vibrational noise spectroscopy (VNS)를 개발하였다. 이 방법에서는 conducting atomic force microscopy (cAFM)에 설치된 나노크기의 전도성 탐침을 분자시료의 원하는 위치에 접촉하고 시료의 전도성 기판과 프로브사이의 전압을 인가하며, 탐침을 통하여 흐르는 전류에 포함된 전기적 노이즈의 power spectral density (PSD)를 측정한다(왼쪽 그림). 이때, 나노프로브에 인가한 전압이 측정한 분자의 특정 진동 모드 에너지에 해당할 때 그 모드가 자극되어 추가적인 전기적 노이즈를 발생시킨다는 사실을 관찰하였고. 이 원리를 이용하여 나노프로브로 측정한 노이즈 스펙트럼으로부터 분자 진동모드의 스펙트럼을 알아낼 수 있었다(가운데 그림). 또한, 나노프로브로 분자시료를 스캔하며 노이즈를 측정함으로써 시료에서 특정 분자진동모드의 분포를 정량적으로 이미징 할 수도 있었다(오른쪽 그림). VNS 방법은 상온, 상압조건에서 사용가능하고, 레이저 등의 광학 장비를 사용하지 않고 전기적인 측정에만 기반하므로 사용이 간단하고, 강한 빛에 민감한 분자시료에도 적용 가능하다는 장점이 있다. 상기 장점들을 바탕으로 화학, 재료 및 분자전자소자 연구를 위한 분자시료와 분자소자의 분석에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

논문 초록:
We have developed a "vibrational noise spectroscopy (VNS)" method to identify and map vibrational modes of molecular wires on a solid substrate. In the method, electrical-noises generated in molecules on a conducting substrate were measured using a conducting atomic force microscopy (AFM) with a nano-resolution. We found that the bias voltage applied to the conducting AFM probe can stimulate specific vibrational modes of measured molecules, resulting in enhanced electrical noises. Thus, by analyzing noise-voltage spectra, we could identify various vibrational modes of the molecular wires on the substrates. Further, we could image the distribution of vibrational modes on molecule patterns on the substrates. In addition, we found that VNS imaging data could be further analyzed to quantitatively estimate the density of a specific vibrational mode in the layers of different molecular species. The VNS method allows one to measure molecular vibrational modes under ambient conditions with a nano-resolution, and thus it can be a powerful tool for nano-scale electronics and materials researches in general.

참여 연구원: 조덕형, Shashank Shekhar, 이형우, 홍승훈

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b04457