明星材料SAM，如何表征？用AFM-IR征服Nature！！

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SAM的黄金搭档：AFM-IR

自组装单分子层（SAM）成为反式钙钛矿电池腾飞的‘超级火箭’，因为其非常薄，寄生吸收少，载流子提取能力好，属于理想的空穴传输层材料，近两年的SAM出现了井喷的现象。

SAM明星材料频频发表在Nature、Science期刊上，那么这个超级薄的SAM材料如何表征呢？如果你说你合成的SAM材料效果好，审稿人大概会问你：为何SAM性能好？形貌怎么样？请证明在基底排布更致密？——这些问题如紧箍咒一般，审稿人喋喋不休，让人难受。

对于超薄的SAM材料，要想表征其均匀性，原子力显微红外光谱（AFM-IR）是最为合适的手段，这个技术好似SAM得黄金搭档。AFM-IR是一种将原子力显微镜（AFM）和红外光谱（IR）结合起来的技术，用于在纳米尺度上进行化学成分分析和材料表征。对于SAM材料，AFM-IR可以通过红外吸收光谱来识别SAM的化学基团，这样可以区分SAM材料和基底，确认SAM在基底的分布情况。

AFM-IR原理：如下图所示，在测试AFM的同时，将一束红外激光达到针尖位置，激光和样品产生光热诱导共振，这个信号会被针尖反馈给探测器，产生时域信号，再经过傅里叶转化就获得了频域信号，也就是红外光谱。这种技术能够提供高分辨率的化学图像，广泛应用于材料科学、生物学和纳米技术等领域。

一句话概括就是：AFM-IR用红外激光做光源，AFM针尖做探测器，这样IR就兼容了AFM的分辨率，分辨率可达10 nm，还可以同时获得形貌信息。

AFM-IR在的Nature应用

一个SAM造就一篇正刊，这就是SAM的魅力。2023年，南方科技大学的何祝兵教授在Nature发表文章‘Inverted perovskite solar cells using dimethylacridine-based dopants’，作者将SAM混合到钙钛矿前驱液中，一步旋涂将SAM‘挤出’到底部，实现了高效反式钙钛矿太阳能电池。

为了证明SAM被挤到底部，作者非常巧妙地制备了ITO/SAM/钙钛矿薄膜、ITO/(SAM混合钙钛矿)薄膜，并使用AFM-IR探测薄膜的底部和顶部表面，选取的红外峰为1415 cm⁻¹，这个峰位置是SAM独有的P-C伸缩振动。如下图k所示，ITO/(SAM混合钙钛矿)薄膜的钙钛矿底部含有大量的SAM信号，并且ITO基底上也有SAM信号（下图i），钙钛矿底部SAM信号比ITO顶部信号强，证明了SAM在钙钛矿前驱液中会被就到底部。作为对比，ITO/SAM/钙钛矿薄膜的钙钛矿底部SAM信号弱。

结合AMF-IR和DFT计算结果，作者绘制了SAM被挤到底部的机制：在氯苯淬火过程中，由于SAM尺寸和极性，不能进入钙钛矿晶格，SAM被挤压到界面，。

AFM-IR表征和应用

AFM-IR已经在高分子共聚物、纳米纤维、聚合物多层膜、蛋白质二级结构、生命科学、自主装分子、药物学、化学催化、地质学、超材料、2D材料、石墨烯、钙钛矿等领域展露锋芒，未来AFM-IR的分辨率有望进一步提升，是非常值得关注的表征技术

SAM制样和表征步骤：

样品制备：将SAM等材料制备在适合的基底（如硅片或导电玻璃片）上，样品需保持清洁和平整，以确保成像质量。
官能团及红外波数确定：自测FTIR或者根据文献，确定SAM官能团的红外谱波数，以便锁定下一步测试的IR峰位置。
AFM-IR：使用调制的红外激光照射样品，同时通过AFM探针获得样品在各位置的红外吸收光谱。

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参考文献

[1] Dazzi A，Prater C B，Hu Q，et al．AFM–IR: Combining Atomic Force Microscopy and Infrared Spectroscopy for Nanoscale Chemical Characterization[J]．Applied Spectroscopy，2012，66（12）：1365-1384．

[2] Tan, Qin, et al. “Inverted perovskite solar cells using dimethylacridine-based dopants.” Nature 620.7974 (2023): 545-551.

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