Please wait a minute...
Shopping Cart Email List Chinese
Advanced Search Fig/Tab
Frontiers in Energy

ISSN 2095-1701

ISSN 2095-1698(Online)

CN 11-6017/TK

Postal Subscription Code 80-972

2018 Impact Factor: 1.701

Featured Articles  |  Most Downloaded  |  Most Reading
Online Submission Subscribe to Our RSS Content Feed
Front. Energy    2018, Vol. 12 Issue (1) : 43-71    https://doi.org/10.1007/s11708-018-0524-8
REVIEW ARTICLE
Review: Tip-based vibrational spectroscopy for nanoscale analysis of emerging energy materials
Amun JARZEMBSKI, Cedric SHASKEY, Keunhan PARK()
Department of Mechanical Engineering, University of Utah, Salt Lake City, UT 84112, USA
 Download: PDF(1307 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

Vibrational spectroscopy is one of the key instrumentations that provide non-invasive investigation of structural and chemical composition for both organic and inorganic materials. However, diffraction of light fundamentally limits the spatial resolution of far-field vibrational spectroscopy to roughly half the wavelength. In this article, we thoroughly review the integration of atomic force microscopy (AFM) with vibrational spectroscopy to enable the nanoscale characterization of emerging energy materials, which has not been possible with far-field optical techniques. The discussed methods utilize the AFM tip as a nanoscopic tool to extract spatially resolved electronic or molecular vibrational resonance spectra of a sample illuminated by a visible or infrared (IR) light source. The absorption of light by electrons or individual functional groups within molecules leads to changes in the sample’s thermal response, optical scattering, and atomic force interactions, all of which can be readily probed by an AFM tip. For example, photothermal induced resonance (PTIR) spectroscopy methods measure a sample’s local thermal expansion or temperature rise. Therefore, they use the AFM tip as a thermal detector to directly relate absorbed IR light to the thermal response of a sample. Optical scattering methods based on scanning near-field optical microscopy (SNOM) correlate the spectrum of scattered near-field light with molecular vibrational modes. More recently, photo-induced force microscopy (PiFM) has been developed to measure the change of the optical force gradient due to the light absorption by molecular vibrational resonances using AFM’s superb sensitivity in detecting tip-sample force interactions. Such recent efforts successfully breech the diffraction limit of light to provide nanoscale spatial resolution of vibrational spectroscopy, which will become a critical technique for characterizing novel energy materials.
Keywords vibrational spectroscopy      atomic force microscopy      photo-thermal induced resonance      scanning near-field optical microscopy      tip-enhanced Raman spectroscopy      photo-induced force microscopy      molecular resonances      surface phonon polaritons      energy materials     
Corresponding Author(s): Keunhan PARK   
Online First Date: 12 January 2018    Issue Date: 08 March 2018
 Cite this article:   
Amun JARZEMBSKI,Cedric SHASKEY,Keunhan PARK. Review: Tip-based vibrational spectroscopy for nanoscale analysis of emerging energy materials[J]. Front. Energy, 2018, 12(1): 43-71.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0524-8
https://academic.hep.com.cn/fie/EN/Y2018/V12/I1/43
Fig.1  Tip-based nanoscale vibrational spectroscopy. Atomic force microscopy (AFM) can be integrated with optical-based vibrational spectroscopy to allow nanoscale spectroscopic imaging and analysis for various materials, such as plasmonic nanostructures, 2-D materials, biological samples, and grain boundaries.
Fig.2  Atomic force microscopy (AFM). (a) Schematic of an AFM that detects cantilever deflection/oscillation using a 4-quadrant photosensitive detector (PSD). (b) Schematic of an interferometric AFM that creates a Fabry-Perot cavity between the optical fiber/air interface and AFM cantilever. A beamsplitter (BS) is used to send the interference pattern to a PSD [30].
Fig.3  Photo-thermal induced resonance (PTIR). (a) Typical PTIR setup, where the sample is deposited on a zinc-selenide (ZnSe) prism [45]. A tunable pulsed laser (tp of 10−9s) reflects off of the prism-sample interface through total-internal reflection. A standard AFM tip is in direct contact with the sample, generating the temporal ring-down oscillation upon the absorption of the pulsed laser. The FFT analysis of the ring-down cantilever oscillation provides the modal response of the AFM cantilever. (b) Close-up of the tip-sample-prism interfaces. The sample is modeled as a sphere that has a sub-wavelength radius (a<λ) and the complex refractive index ñ(λ) [75].
Fig.4  PTIR measurement of weak molecular resonances in PMMA [54]. (a) Topography of a PMMA microdisk embedded in an epoxy resin. (b) PTIR spectra for the PMMA microdisk and the epoxy resin taken at the locations identified by the crosses in (a). The PTIR spectra shows the C=O vibrational resonance of PMMA at 1730 cm–1. (c) The dependence of the PTIR signal on the PMMA layer thickness. (d) The maximum intensity of the C=O vibration as a function of PMMA thickness demonstrates a strong dependence of the PTIR signal on sample thickness. The solid curve represents the theoretical model. Adapted with permission from Ref. [54]. Copyrighted by Wiley-VCH.
Fig.5  Localized surface plasmon resonances probed with PTIR [63,65]. (a) The AFM topography of a gold asymmetric split ring resonator (ASRR) (inset) and PTIR spectra taken at the locations indicated by cross marks [65]. Black and red spectra correspond to the larger and smaller resonators, respectively. (b–d) PTIR spectral images of the ASRR at (b) 1432 cm–1 (blue dashed line in (a)), (c) 1384 cm−1 (green line), and (d) 1268 cm−1 (yellow line). (e,f) PTIR spectral images of an indium arsenide (InAs) micropillar array at two wavelengths: 5.75 μm and 6.25 μm, respectively, clearly showing the excitation of localized surface plasmons at 5.75 μm [63]. (a–d) and (e,f) adapted with permission from Refs. [65] and [63], respectively. Copyrighted by (a–d) Wiley-VCH and (e,f) AIP Publishing.
Fig.6  Monolayer vibrational spectroscopy performed with AFM- [62] and STM-based PTIR [76]. (a) AFM-based PTIR spectra (blue circles) of a 4-nitrothiophenol (NTP) self-assembled monolayer (SAM) on an Au substrate [62]. PTIR spectra is compared with the expected IR spectra (red curve) from Ref. [80]. (b) STM-based PTIR spectra taken on a monolayer of tetramantane (red) and bare Au (black) showing sub-picometer z-expansion resolution [76]. (a) and (b) adapted with permission from Refs. [62] and [76], respectively. Copyrighted by (a) Nature Publishing Group and (b) the American Physical Society.
Fig.7  Schematics of scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy (s-SNOM). (a) s-SNOM using a continuous wave (CW) laser and homodyne interferometric detection of the tip-scattered signal. The moving mirror is shifted between two locations separated by λ/4 to extract both amplitude and phase information [108]. Tip-substrate near-field interactions can be modeled with either (b) the point dipole model (PDM) or (c) finite dipole model (FDM) [107,148]. (b) and (c) adapted with permission from Ref. [148]. Copyrighted by Elsevier.
Fig.8  The surface phonon polariton resonance of SiC probed with tip-enhanced IR spectroscopy [111,116,127]. (a) Swept-IR method showing signal dependence on the tip-substrate separation (solid lines are purely for visual aid) [116]. (b) Nano-FTIR method where the solid lines are the FDM predictions for different tip demodulation harmonics [n=1 (blue), n=2 (black), and n=3 (red)] [127]. (c) TINS method where the blue curve is experimental spectra, the dashed line is a fitted model, and the red curve shows the unshifted resonance position [111]. (a), (b), and (c) adapted with permission from Refs. [116], [127] and [111], respectively. Copyrighted by the (a) American Chemical Society and (b,c) American Physical Society.
Fig.9  Nanoscale spectroscopic imaging of graphene plasmons at mid-IR wavelengths using s-SNOM [118,119]. (a) Spectral images of a graphene wedge deposited on SiC taken at different wavelengths (λ0=9.2, 9.68, 10.15 μm) [119]. (b) As the geometrical constriction on the graphene wedge increases, the surface plasmon shows localization to require a longer wavelength to be excited. (c) The amplitude and (d) the phase of the near-field IR spectrum on bare SiO2 (black squares) and a graphene layer on SiO2 (red circles) [118]. (a, b) and (c, d) adapted with permission from Refs. [118] and [119], respectively. Copyrighted by (a,b) Nature Publishing Group and (c, d) the American Chemical Society.
Fig.10  Weak molecular vibrational resonances of polymers probed with s-SNOM methods [113,125,130]. (a) Swept-IR images (top) and spectrum (bottom) of a PMMA nanodisc. The obtained nano-IR spectrum (solid points) is in good agreement with the far-field FTIR measurement (black curve) [125]. (b) Nano-FTIR spectrum of a PMMA layer (top) in comparison with transmission mode FTIR (bottom) [130]. (c) IR spectrum of a PFTE layer measured by TINS (blue curve) in comparison with the theoretical spectral energy density of near-field radiation (red curve) [113]. (a), (b), and (c) adapted from Refs. [125], [130] and [113], respectively. Copyrighted by the (a) Optical Society of America, (b) American Chemical Society, and (c) Creative Commons Attribution 4.0 International License: Published by AIP Publishing.
Fig.11  Nano-FTIR hyperspectral imaging [136]. (a) 3-D hyperspectral image data cube of a fluorine copolymer (FP) - acrylic copolymer (AC) - polystyrene latex (PS) blend on a silicon substrate over the spectral range of 1000–1740 cm−1 and (b) its slice at 1200 cm−1 to show the FP-rich regions as exhibited by the C–F molecular resonance at 1195 cm−1. (c) The extracted IR spectra are highly reproducible with detailed chemical information of each component. (d) The obtained hyperspectral data can be reproduced to identify the composition of the polymer blend with a nanoscale resolution. Scale bar is 400 nm. Adapted from Ref. [136]. Copyrighted by Creative Commons Attribution 4.0 International License: Published by Nature Publishing Group.
Fig.12  Reflection mode Tip-enhanced Raman Spectrometer (TERS). Schematic illustration of reflection mode TERS and an example of TERS spectrum for a strained silicon layer on a Si0.75Ge0.25 substrate. Red curve is obtained by TERS using a Ag-coated Si tip while black curve is the far-field Raman spectrum, both obtained with a 532 nm excitation source [176]. Graph adapted with permission from Ref. [176]. Copyrighted by AIP Publishing.
Fig.13  STM-controlled TERS mapping of a single H2TBPP molecule [189]. (a) Single molecule TERS spectra on the lobe (red) and center (blue) of a ~0.15 nm tall H2TBPP molecule along with TERS spectrum of bare Ag substrate (black) located 1 nm away from the molecule. (b) Top panel shows the TERS images having a sub-nanometer resolution ( 3.6 nm×3.6 nm and 23×23 pixels) at different highlighted Raman peaks. Bottom panel shows theoretical simulation of the TERS mapping. Adapted with permission from Ref. [189]. Copyrighted by Nature Publishing Group.
Fig.14  Photo-induced force microscopy (PiFM). (a) The schematics of PiFM using a 4-quadrant photosensitive detector, where topography is detected at the second mechanical resonance frequency of the cantilever, f02. Optical forces are coupled into the fundamental mechanical resonance of the cantilever, f01, via sideband modulation at Δf= f02– f01). (b) Cantilever oscillation amplitudes for different modes as function of tip-sample separation when a PS-r-PEDCPMA block copolymer is resonantly excited at 1733 cm–1 (i.e., C=O resonance): the topographic cantilever amplitude with f02 (black), direct-drive PiFM with fm= f01 (green), sideband modulation PiFM with fm=Δf (blue), and contact resonance excitation (orange). Curves are normalized by the maximum signal obtained in the sideband excitation [195]. (b) adapted with permission from Ref. [195]. Copyrighted under the Creative Commons Attribution 4.0 International License: Published by AAAS.
Fig.15  Experimental verification of PiFM-based nanospectroscopy [195,196]. (a)–(d) Topographical images of 6-tamra dye molecules on glass substrate and (e)–(f) simultaneously recorded PiFM images at different wavelengths (λ=475, 543, 594, 633 nm). Inset in (a) is the line profile of a dye island, as indicated by dotted line. Inset in (e) is the spectral data points measured by PiFM which is in good agreement with the photoluminescence spectrum of the dye (solid curve) [196]. (i) Comparison of PiFM-generated IR spectrum (black curve) and the far-field FTIR spectrum (red curve) of a PMMA polymer [195]. (a–h) and (i) Adapted from Refs. [196] and [195], respectively. Copyrighted by (a–h) AIP Publishing and the (i) Creative Commons Attribution 4.0 International License: Published by AAAS.
Fig.16  Hyperspectral nanoscale imaging using PiFM [195]. Spectral images of a PS-b-P2VP [poly(styrene-b-2-vinyl pyridine)] block copolymer sample at selected wavenumbers: (a) 1447 cm−1 (b) 1452 cm−1 (c) 1469 cm−1 (d) 1492 cm−1, and (e) 1589 cm−1. PiFM spectra are taken from the points in the enlarged section of (e) and the PS/P2VP (green) blend from the bright regions in (a). Adapted from Ref. [195]. Copyrighted under the Creative Commons Attribution 4.0 International License: Published by AAAS.
Best spatial resolution/nm Spectral range/cm–1 SPhP Plasmonics Polymers Monolayer Hyperspectral imaging Opitical property extraction Probe requirement
PTIR 20 [65] 625–6450 [65] Not yet Yes [67] Yes [65] Yes [62] Not yet No Regular [45]
Thermal expansion 20 [65] 625–6450 [65] No Yes [67] Yes [65] Yes [62] No No Regular [45]
Temperature rise 500 [39] 700–5000 [39] No No Yes [44] No No No Functionalized [39]
s-SNOM 20 [130] 700–5000 [141] Yes [116] Yes [118] Yes [125] Yes [118] Yes [136] Yes [132] Metalized [116]
Swept-IR 25 [125] 880–1800 [118,125] Yes [116] Yes [118] Yes [125] Yes [118] Yes [125] Yes [107] Metalized [116]
Nano-FTIR 20 [130] 700–5000 [141] Not yet Not yet Yes [130] Yes [131] Yes [136] Yes [132] Metalized [130]
TINS 50 [143] 780–1800 [113,143] Yes [111] No Yes [113] No Yes [142] Not yet Typically heated [143]
TERS <1 [178] No No Yes [175] Yes [175] Yes [174] No Plasmonic [190]
PiFM 10 [195] 880–1800 [195] Not yet Yes [205] Yes [195] Not yet Yes [195] No Metalized [195]
Tab.1  Summary of tip-based vibrational spectroscopy techniques with pertinent references
1 Derrick M, Stulick  D, Landry J. Infrared Spectroscopy in Conservation Science. Getty Conservation Institute, USA, 2000
2 Griffiths P R,  de Haseth J A. Fourier Transform Infrared Spectrometry, 2nd ed. Hoboken: John Wiley and Sons, 2007
3 Bhargava R, Ribar  T, Koenig J. Towards faster FT-IR imaging by reducing noise. Applied Spectroscopy, 1999, 53(11): 1313–1322
https://doi.org/10.1366/0003702991945812
4 Salzer R, Siesler  H W. Infrared and Raman Spectroscopic Imaging. Weinheim: Wiley-VCH, 2009
5 Chen G. Nanoscale heat transfer and nanostructured thermoelectrics. IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, 2006, 29(2): 238–246
https://doi.org/10.1109/TCAPT.2006.875895
6 Ghashami M, Cho  S K, Park  K. Near-field enhanced thermionic energy conversion for renewable energy recycling. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2017, 198: 59–67
https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.04.033
7 Park K, Zhang  Z M. Fundamentals and applications of near-field radiative energy transfer. Frontiers in Heat & Mass Transfer, 2013, 4(1): 13001
https://doi.org/10.5098/hmt.v4.1.3001
8 Novotny L, Hecht  B. Principles of Nano-Optics. Cambridge: Cambridge University Press, 2005
9 Zayats A V, Richards  D. Nano-optics and Near-field Optical Microscopy. Norwood: Artech House, 2009
10 Orrit M. Nobel Prize in chemistry: celebrating optical nanoscopy. Nature Photonics, 2014, 8(12): 887–888
https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.288
11 Bohren C F, Huffman  D R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Morlenbach: John Wiley & Sons, 1983
12 Miller L M, Dumas  P. Chemical imaging of biological tissue with synchrotron infrared light. Biochimica et Biophysica Acta, 2006, 1758(7): 846–857
https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2006.04.010 pmid: 16781664
13 Sullivan D H, Conner  W C, Harold  M P. Surface analysis with FT-IR emission spectroscopy. Applied Spectroscopy, 1992, 46(5): 811–818
https://doi.org/10.1366/0003702924124844
14 Globus T R, Woolard  D L, Khromova  T, Crowe T W,  Bykhovskaia M,  Gelmont B L,  Hesler J,  Samuels A C. THz-spectroscopy of biological molecules. Journal of Biological Physics, 2003, 29(2–3): 89–100
https://doi.org/10.1023/A:1024420104400 pmid: 23345823
15 Jin X Y, Kim  K J, Lee  H S. Grazing incidence reflection absorption Fourier transform infrared (GIRA-FTIR) spectroscopic studies on the ferroelectric behavior of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) ultrathin films. Polymer, 2005, 46(26): 12410–12415
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2005.10.066
16 Schliesser A, Brehm  M, Keilmann F,  van der Weide D. Frequency-comb infrared spectrometer for rapid, remote chemical sensing. Optics Express, 2005, 13(22): 9029–9038
https://doi.org/10.1364/OPEX.13.009029 pmid: 19498938
17 Nyga P, Drachev  V P, Thoreson  M D, Shalaev  V M. Mid-IR plasmonics and photomodification with Ag films. Applied Physics. B, Lasers and Optics, 2008, 93(1): 59–68
https://doi.org/10.1007/s00340-008-3145-9
18 Yu A I T,  Pusep A,  Milekhin A H. FTIR spectroscopy of longitudinal confined phonons and plasmon-phonon vibrational modes in GaAsn/AlAsm superlattices. Solid-State Electronics, 1994, 37(4–6): 613–616
19 Raman C V. A change of wave-length in light scattering. Nature, 1928, 121(3051): 619–619
https://doi.org/10.1038/121619b0
20 Kudelski A.Analytical applications of Raman spectroscopy. Talanta, 200, 76(1): 1–8
21 Hayazawa N, Saito  Y, Kawata S. Detection and characterization of longitudinal field for tip-enhanced Raman spectroscopy. Applied Physics Letters, 2004, 85(25): 6239–6241
https://doi.org/10.1063/1.1839646
22 Efremov E V, Ariese  F, Gooijer C. Achievements in resonance Raman spectroscopy: review of a technique with a distinct analytical chemistry potential. Analytica Chimica Acta, 2008, 606(2): 119–134
https://doi.org/10.1016/j.aca.2007.11.006 pmid: 18082644
23 Tolles W M, Nibler  J W, McDonald  J R, Harvey  A B. A review of the theory and application of coherent anti-stokes Raman spectroscopy (CARS). Applied Spectroscopy, 1977, 31(4): 253–271
https://doi.org/10.1366/000370277774463625
24 Fan M, Andrade  G F S, Brolo  A G. A review on the fabrication of substrates for surface enhanced Raman spectroscopy and their applications in analytical chemistry. Analytica Chimica Acta, 2011, 693(1–2): 7–25
https://doi.org/10.1016/j.aca.2011.03.002 pmid: 21504806
25 Rostron P, Gaber  S, Gaber D. Raman spectroscopy. International Journal of Engineering Research and Technology, 2016, 869(1): 50–64
26 Festy F, Demming  A, Richards D. Resonant excitation of tip plasmons for tip-enhanced Raman SNOM. Ultramicroscopy, 2004, 100(3–4): 437–441
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2003.11.019 pmid: 15231336
27 Binnig G, Quate  C F, Gerber  C. Atomic force microscope. Physical Review Letters, 1986, 56(9): 930–933
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.56.930 pmid: 10033323
28 Martin Y, Williams  C C, Wickramasinghe  H K. Atomic force microscope-force mapping and profiling on a sub 100-nm scale. Journal of Applied Physics, 1987, 61(10): 4723–4729
https://doi.org/10.1063/1.338807
29 Albrecht T R, Quate  C F. Atomic resolution imaging of a nonconductor by atomic force microscopy. Journal of Applied Physics, 1987, 62(7): 2599–2602
https://doi.org/10.1063/1.339435
30 Rugar D, Mamin  H J, Guethner  P. Improved fiber-optic interferometer for atomic force microscopy. Applied Physics Letters, 1989, 55(25): 2588–2590
https://doi.org/10.1063/1.101987
31 Butt H J, Cappella  B, Kappl M. Force measurements with the atomic force microscope: technique, interpretation and applications. Surface Science Reports, 2005, 59(1–6): 1–152
https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2005.08.003
32 Yang H U, Raschke  M B. Resonant optical gradient force interaction for nano-imaging and -spectroscopy. New Journal of Physics, 2016, 18(5): 053042
https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/5/053042
33 Giessibl F J. AFM’s path to atomic resolution. Materials Today, 2005, 8(5): 32–41
https://doi.org/10.1016/S1369-7021(05)00844-8
34 Sarid V, Elings   V. Review of scanning force microscopy.  Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena, 1991, 9(2): 431
35 Giessibl F J. Atomic force microscopy in ultrahigh vacuum. Japanese Journal of Applied Physics, 1994, 33(6S): 3726–3734
36 Noy A, Vezenov  D V, Kayyem  J F, Meade  T J, Lieber  C M. Stretching and breaking duplex DNA by chemical force microscopy. Chemistry & biology, 1997, 4(7): 519–527
https://doi.org/10.1016/S1074-5521(97)90324-0 pmid: 9263640
37 Giessibl F J. Advances in atomic force microscopy. Reviews of Modern Physics, 2003, 75(3): 949–983
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.75.949
38 Morita S, Giessibl  F, Wiesendanger R. Noncontact Atomic Force Microscopy, 2nd ed. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009
39 Hammiche A, Pollock  H M, Reading  M, Claybourn M,  Turner P H,  Jewkes K. Photothermal FT-IR spectroscopy: a step towards FT-IR microscopy at a resolution better than the diffraction limit. Applied Spectroscopy, 1999, 53(7): 810–815
https://doi.org/10.1366/0003702991947379
40 Bozec L, Hammiche  A, Pollock H M,  Conroy M,  Chalmers J M,  Everall N J,  Turin L. Localized photothermal infrared spectroscopy using a proximal probe. Journal of Applied Physics, 2001, 90(10): 5159–5165
https://doi.org/10.1063/1.1403671
41 Hammiche A, Bozec  L, Pollock H M,  German M,  Reading M. Progress in near-field photothermal infra-red microspectroscopy. Journal of Microscopy, 2004, 213(Pt 2): 129–134
https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2004.01292.x pmid: 14731294
42 Majumdar A. Scanning thermal microscopy. Annual Review of Materials Science, 1999, 29(1): 505–585
https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.29.1.505
43 Bozec L, Hammiche  A, Tobin M,  Chalmers J,  Everall N,  Pollock H. Near-field photothermal Fourier transform infrared spectroscopy using synchrotron radiation. Measurement Science & Technology, 2002, 13(8): 1217–1222
https://doi.org/10.1088/0957-0233/13/8/308
44 Donaldson P M,  Kelley C S,  Frogley M D,  Filik J,  Wehbe K,  Cinque G. Broadband near-field infrared spectromicroscopy using photothermal probes and synchrotron radiation. Optics Express, 2016, 24(3): 1852–1864
https://doi.org/10.1364/OE.24.001852 pmid: 26906764
45 Dazzi A, Prazeres  R, Glotin F,  Ortega J M. Local infrared microspectroscopy with subwavelength spatial resolution with an atomic force microscope tip used as a photothermal sensor. Optics Letters, 2005, 30(18): 2388–2390
https://doi.org/10.1364/OL.30.002388 pmid: 16196328
46 Dazzi A, Prazeres  R, Glotin F,  Ortega J M. Subwavelength infrared spectromicroscopy using an AFM as a local absorption sensor. Infrared Physics & Technology, 2006, 49(1–2): 113–121
https://doi.org/10.1016/j.infrared.2006.01.009
47 Dazzi A, Prazeres  R, Glotin F,  Ortega J M,  Al-Sawaftah M,  de Frutos M. Chemical mapping of the distribution of viruses into infected bacteria with a photothermal method. Ultramicroscopy, 2008, 108(7): 635–641
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2007.10.008 pmid: 18037564
48 Mayet C, Dazzi  A, Prazeres R,  Allot F,  Glotin F,  Ortega J M. Sub-100 nm IR spectromicroscopy of living cells. Optics Letters, 2008, 33(14): 1611–1613
https://doi.org/10.1364/OL.33.001611 pmid: 18628814
49 Houel J, Homeyer  E, Sauvage S,  Boucaud P,  Dazzi A,  Prazeres R,  Ortéga J M. Midinfrared absorption measured at a lambda/400 resolution with an atomic force microscope. Optics Express, 2009, 17(13): 10887–10894
https://doi.org/10.1364/OE.17.010887 pmid: 19550489
50 Mayet C, Dazzi  A, Prazeres R,  Ortega J M,  Jaillard D. In situ identification and imaging of bacterial polymer nanogranules by infrared nanospectroscopy. Analyst, 2010, 135(10): 2540–2545
https://doi.org/10.1039/c0an00290a pmid: 20820491
51 Prater C, Kjoller  K, Cook D,  Shetty R,  Meyers G,  Reinhardt C,  Felts J,  King W, Vodopyanov  K, Dazzi A. Nanoscale infrared spectroscopy of materials by atomic force microscopy. Microscopy and Analysis (Americas ed.), 2010, 24(3): 5–8
pmid: 22506097
52 Marcott C, Lo  M, Kjoller K,  Prater C,  Noda I. Spatial differentiation of sub-micrometer domains in a poly(hydroxyalkanoate) copolymer using instrumentation that combines atomic force microscopy (AFM) and infrared (IR) spectroscopy. Applied Spectroscopy, 2011, 65(10): 1145–1150
https://doi.org/10.1366/11-06341 pmid: 21986074
53 Felts J R, Kjoller  K, Lo M,  Prater C B,  King W P. Nanometer-scale infrared spectroscopy of heterogeneous polymer nanostructures fabricated by tip-based nanofabrication. ACS Nano, 2012, 6(9): 8015–8021
https://doi.org/10.1021/nn302620f pmid: 22928657
54 Lahiri B, Holland  G, Centrone A. Chemical imaging beyond the diffraction limit: experimental validation of the PTIR technique. Small, 2013, 9(3): 439–445
https://doi.org/10.1002/smll.201200788 pmid: 23034929
55 Felts J R, Kjoller  K, Prater C B,  King W P. Enhanced nanometer-scale infrared spectroscopy with a contact mode microcantilever having an internal resonator paddle. In: 2010 IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Hong Kong, China, 2010, 136–139
56 Policar C, Waern  J B, Plamont  M A, Clède  S, Mayet C,  Prazeres R,  Ortega J M,  Vessières A,  Dazzi A. Subcellular IR imaging of a metal-carbonyl moiety using photothermally induced resonance. Angewandte Chemie (International ed. in English), 2011, 50(4): 860–864
https://doi.org/10.1002/anie.201003161 pmid: 20941714
57 Lu F, Belkin  M A. Infrared absorption nano-spectroscopy using sample photoexpansion induced by tunable quantum cascade lasers. Optics Express, 2011, 19(21): 19942–19947
https://doi.org/10.1364/OE.19.019942 pmid: 21997003
58 Dazzi A, Prater  C B, Hu  Q, Chase D B,  Rabolt J F,  Marcott C. AFM-IR: combining atomic force microscopy and infrared spectroscopy for nanoscale chemical characterization. Applied Spectroscopy, 2012, 66(12): 1365–1384
https://doi.org/10.1366/12-06804 pmid: 23231899
59 Kwon B, Schulmerich  M V, Elgass  L J, Kong  R, Holton S E,  Bhargava R,  King W P. Infrared microspectroscopy combined with conventional atomic force microscopy. Ultramicroscopy, 2012, 116: 56–61
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2012.03.007 pmid: 22537743
60 Felts J R, Cho  H, Yu M F F,  Bergman L A,  Vakakis A F,  King W P. Atomic force microscope infrared spectroscopy on 15 nm scale polymer nanostructures. Review of Scientific Instruments, 2013, 84(2): 023709
https://doi.org/10.1063/1.4793229 pmid: 23464220
61 Cho H, Felts  J R, Yu  M F, Bergman  L A, Vakakis  A F, King  W P. Improved atomic force microscope infrared spectroscopy for rapid nanometer-scale chemical identification. Nanotechnology, 2013, 24(44): 444007
https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/44/444007 pmid: 24113150
62 Lu F, Jin  M, Belkin M. Tip-enhanced infrared nanospectroscopy via molecular expansion force detection. Nature Photonics, 2014, 8(4): 307–312
https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.373
63 Felts J R, Law  S, Roberts C M,  Podolskiy V,  Wasserman D M,  King W P. Near-field infrared absorption of plasmonic semiconductor microparticles studied using atomic force microscope infrared spectroscopy. Applied Physics Letters, 2013, 102(15): 152110
https://doi.org/10.1063/1.4802211
64 Lahiri B, Holland  G, Aksyuk V,  Centrone A. Nanoscale imaging of plasmonic hot spots and dark modes with the photothermal-induced resonance technique. Nano Letters, 2013, 13(7): 3218–3224
https://doi.org/10.1021/nl401284m pmid: 23777547
65 Katzenmeyer A M,  Chae J, Kasica  R, Holland G,  Lahiri B,  Centrone A. Nanoscale imaging and spectroscopy of plasmonic modes with the PTIR technique. Advanced Optical Materials, 2014, 2(8): 718–722
https://doi.org/10.1002/adom.201400005
66 Katzenmeyer A M,  Aksyuk V,  Centrone A. Nanoscale infrared spectroscopy: improving the spectral range of the photothermal induced resonance technique. Analytical Chemistry, 2013, 85(4): 1972–1979
https://doi.org/10.1021/ac303620y pmid: 23363013
67 Katzenmeyer A M,  Holland G,  Kjoller K,  Centrone A. Absorption spectroscopy and imaging from the visible through mid-infrared with 20 nm resolution. Analytical Chemistry, 2015, 87(6): 3154–3159
https://doi.org/10.1021/ac504672t pmid: 25707296
68 Williams C C, Wickramasinghe  H K. Scanning thermal profiler. Applied Physics Letters, 1986, 49(23): 1587–1589
https://doi.org/10.1063/1.97288
69 Shi L, Majumdar  A. Thermal transport mechanisms at nanoscale point contacts. Journal of Heat Transfer, 2002, 124(2): 329
https://doi.org/10.1115/1.1447939
70 Sadat S, Tan  A, Chua Y J,  Reddy P. Nanoscale thermometry using point contact thermocouples. Nano Letters, 2010, 10(7): 2613–2617
https://doi.org/10.1021/nl101354e pmid: 20550098
71 Kim K, Jeong  W, Lee W,  Reddy P. Ultra-high vacuum scanning thermal microscopy for nanometer resolution quantitative thermometry. ACS Nano, 2012, 6(5): 4248–4257
https://doi.org/10.1021/nn300774n pmid: 22530657
72 Dai Z, King  W P, Park  K. A 100 nanometer scale resistive heater-thermometer on a silicon cantilever. Nanotechnology, 2009, 20(9): 095301
https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/9/095301 pmid: 19417484
73 Lee J, Beechem  T, Wright T L,  Nelson B A,  Graham S,  King W P. Electrical, thermal, and mechanical characterization of silicon microcantilever heaters. Journal of Microelectromechanical Systems, 2006, 15(6): 1644–1655
https://doi.org/10.1109/JMEMS.2006.886020
74 Corbin E A, Park  K, King W P. Room-temperature temperature sensitivity and resolution of doped-silicon microcantilevers. Applied Physics Letters, 2009, 94(24): 243503
https://doi.org/10.1063/1.3154567
75 Dazzi A, Glotin  F, Carminati R. Theory of infrared nanospectroscopy by photothermal induced resonance. Journal of Applied Physics, 2010, 107(12): 124519
https://doi.org/10.1063/1.3429214
76 Pechenezhskiy I V,  Hong X, Nguyen  G D, Dahl  J E P, Carlson  R M K, Wang  F, Crommie M F. Infrared spectroscopy of molecular submonolayers on surfaces by infrared scanning tunneling microscopy: tetramantane on Au111. Physical Review Letters, 2013, 111(12): 126101
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.126101 pmid: 24093277
77 Nguyen T Q, Wu  J, Tolbert S H,  Schwartz B J. Control of energy transport in conjugated polymers using an ordered mesoporous silica matrix. Advanced Materials, 2001, 13(8): 609–611
https://doi.org/10.1002/1521-4095(200104)13:8<609::AID-ADMA609>3.0.CO;2-#
78 Luo T, Chen  G. Nanoscale heat transfer--from computation to experiment. Physical chemistry chemical physics : PCCP, 2013, 15(10): 3389–3412
https://doi.org/10.1039/c2cp43771f pmid: 23361372
79 Wang Y, Liu  J, Zhou J,  Yang R. Thermoelectric transport across nanoscale polymer–semiconductor–polymer junctions. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(47): 24716–24725
https://doi.org/10.1021/jp4084019
80 Merklin G T, He  L, Griffiths P R. Surface-enhanced infrared absorption spectrometry of p-nitrothiophenol and its disulfide. Applied Spectroscopy, 1999, 53(11): 1448–1453
https://doi.org/10.1366/0003702991945821
81 Pohl D W, Denk  W, Lanz M. Optical stethoscopy: image recording with resolution λ/20. Applied Physics Letters, 1984, 44(7): 651–653
https://doi.org/10.1063/1.94865
82 Betzig E, Lewis  A, Harootunian A,  Isaacson M,  Kratschmer E. Near field scanning optical microscopy (NSOM): development and biophysical applications. Biophysical Journal, 1986, 49(1): 269–279
https://doi.org/10.1016/S0006-3495(86)83640-2 pmid: 19431633
83 Labardi M, Gucciardi  P G, Allegrini  M, Pelosi C. Assessment of NSOM resolution on III–V semiconductor thin films. Applied Physics. A, Materials Science & Processing, 1998, 66(S1): S397–S402
https://doi.org/10.1007/s003390051171
84 Isaacson M. Near-field scanning optical microscopy II. Journal of Vacuum Science and Technology. B, Nanotechnology & Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, & Phenomena: JVST B, 1991, 9(6): 3103
https://doi.org/10.1116/1.585320
85 Goodson K E, Ashegh  M. Near-field optical thermometry. Microscale Thermophysical Engineering, 1997, 1(3): 225–235
https://doi.org/10.1080/108939597200241
86 Sasaki M, Tanaka  K, Hane K. Cantilever probe integrated with light-emitting diode, waveguide, aperture, and photodiode for scanning near-field optical microscope. Japan Society of Applied Physics, 2000, 39(12B): 7150–7153
87 Michaelis J, Hettich  C, Mlynek J,  Sandoghdar V V. Optical microscopy using a single-molecule light source. Nature, 2000, 405(6784): 325–328
https://doi.org/10.1038/35012545 pmid: 10830956
88 Shubeita G T, Sekatskii  S K, Dietler  G, Potapova I,  Mews A, Basché  T. Scanning near-field optical microscopy using semiconductor nanocrystals as a local fluorescence and fluorescence resonance energy transfer source. Journal of Microscopy, 2003, 210(Pt 3): 274–278
https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.2003.01143.x pmid: 12787098
89 Chevalier N, Nasse  M J, Woehl  J C, Reiss  P, Bleuse J,  Chandezon F,  Huant S. CdSe single-nanoparticle based active tips for near-field optical microscopy. Nanotechnology, 2005, 16(4): 613–618
https://doi.org/10.1088/0957-4484/16/4/047
90 Kim J, Song  K B. Recent progress of nano-technology with NSOM. Micron (Oxford, England: 1993), 2007, 38(4): 409–426
https://doi.org/10.1016/j.micron.2006.06.010 pmid: 16891120
91 Mauser N, Hartschuh  A. Tip-enhanced near-field optical microscopy. Chemical Society Reviews, 2014, 43(4): 1248–1262
https://doi.org/10.1039/C3CS60258C pmid: 24100541
92 Hartschuh A. Tip-enhanced near-field optical microscopy. Angewandte Chemie (International ed. in English), 2008, 47(43): 8178–8191
https://doi.org/10.1002/anie.200801605 pmid: 18814153
93 Neuman T, Alonso-González  P, Garcia-Etxarri A,  Schnell M,  Hillenbrand R,  Aizpurua J. Mapping the near fields of plasmonic nanoantennas by scattering-type scanning near-field optical microscopy. Laser & Photonics Reviews, 2015, 9(6): 637–649
https://doi.org/10.1002/lpor.201500031
94 Novotny L, Stranick  S J. Near-field optical microscopy and spectroscopy with pointed probes. Annual Review of Physical Chemistry, 2006, 57(1): 303–331
https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.56.092503.141236 pmid: 16599813
95 Lucas M, Riedo  E. Invited review article: combining scanning probe microscopy with optical spectroscopy for applications in biology and materials science. The Review of Scientific Instruments, 2012, 83(6): 061101
https://doi.org/10.1063/1.4720102 pmid: 22755608
96 Hillenbrand R, Keilmann  F. Complex optical constants on a subwavelength scale. Physical Review Letters, 2000, 85(14): 3029–3032
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.3029 pmid: 11005995
97 Yang T J, Lessard  G A, Quake  S R. An apertureless near-field microscope for fluorescence imaging. Applied Physics Letters, 2000, 76(3): 378–380
https://doi.org/10.1063/1.125759
98 Labardi M, Tikhomirov  O, Ascoli C,  Allegrini M. Balanced homodyning for apertureless near-field optical imaging. The Review of Scientific Instruments, 2008, 79(3): 033709
https://doi.org/10.1063/1.2899146 pmid: 18377017
99 Gomez L, Bachelot  R, Bouhelier A,  Wiederrecht G P,  Chang S H,  Gray S K,  Hua F, Jeon  S, Rogers J A,  Castro M E,  Blaize S,  Stefanon I,  Lerondel G,  Royer P. Apertureless scanning near-field optical microscopy: a comparison between homodyne and heterodyne approaches. Journal of the Optical Society of America. B, Optical Physics, 2006, 23(5): 823
https://doi.org/10.1364/JOSAB.23.000823
100 Taubner T, Hillenbrand  R, Keilmann F. Performance of visible and mid-infrared scattering-type near-field optical microscopes. Journal of Microscopy, 2003, 210(Pt 3): 311–314
https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.2003.01164.x pmid: 12787105
101 Hillenbrand R, Knoll  B, Keilmann F. Pure optical contrast in scattering-type scanning near-field microscopy. Journal of Microscopy, 2001, 202(Pt 1): 77–83
https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.2001.00794.x pmid: 11298874
102 Raschke M B, Lienau  C. Apertureless near-field optical microscopy: tip–sample coupling in elastic light scattering. Applied Physics Letters, 2003, 83(24): 5089–5091
https://doi.org/10.1063/1.1632023
103 Knoll B, Keilmann  F. Near-field probing of vibrational absorption for chemical microscopy. Nature, 1999, 399(6732): 134–137
https://doi.org/10.1038/20154
104 Knoll B, Keilmann  F. Enhanced dielectric contrast in scattering-type scanning near-field optical microscopy. Optics Communications, 2000, 182(4–6): 321–328
https://doi.org/10.1016/S0030-4018(00)00826-9
105 Hillenbrand R, Taubner  T, Keilmann F. Phonon-enhanced light matter interaction at the nanometre scale. Nature, 2002, 418(6894): 159–162
https://doi.org/10.1038/nature00899 pmid: 12110883
106 Ocelic N, Huber  A, Hillenbrand R. Pseudoheterodyne detection for background-free near-field spectroscopy. Applied Physics Letters, 2006, 89(10): 101124
https://doi.org/10.1063/1.2348781
107 Ocelic N. Quantitative near-field phonon-polariton spectroscopy. Dissertation for the Doctoral Degree. Munich: Technical University of Munich, 2007
108 Schnell M, Carney  P S, Hillenbrand  R. Synthetic optical holography for rapid nanoimaging. Nature Communications, 2014, 5: 3499
https://doi.org/10.1038/ncomms4499 pmid: 24651276
109 Deutsch B, Hillenbrand  R, Novotny L. Near-field amplitude and phase recovery using phase-shifting interferometry. Optics Express, 2008, 16(2): 494–501
https://doi.org/10.1364/OE.16.000494 pmid: 18542124
110 Huber A J, Keilmann  F, Wittborn J,  Aizpurua J,  Hillenbrand R. Terahertz near-field nanoscopy of mobile carriers in single semiconductor nanodevices. Nano Letters, 2008, 8(11): 3766–3770
https://doi.org/10.1021/nl802086x pmid: 18837565
111 O’Callahan B T,  Lewis W E,  Jones A C,  Raschke M B. Spectral frustration and spatial coherence in thermal near-field spectroscopy. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2014, 89(24): 245446
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.245446
112 Babuty A, Joulain  K, Chapuis P O,  Greffet J J,  De Wilde Y. Blackbody spectrum revisited in the near field. Physical Review Letters, 2013, 110(14): 146103
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.146103 pmid: 25167011
113 O’Callahan B T,  Raschke M B. Laser heating of scanning probe tips for thermal near-field spectroscopy and imaging. APL Photonics, 2017, 2(2):021301
https://doi.org/10.1063/1.4972048
114 Schnell M, García-Etxarri  A, Huber A J,  Crozier K,  Aizpurua J,  Hillenbrand R. Controlling the near-field oscillations of loaded plasmonic nanoantennas. Nature Photonics, 2009, 3(5): 287–291
https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.46
115 Jones A C, Olmon  R L, Skrabalak  S E, Wiley  B J, Xia  Y N, Raschke  M B. Mid-IR plasmonics: near-field imaging of coherent plasmon modes of silver nanowires. Nano Letters, 2009, 9(7): 2553–2558
https://doi.org/10.1021/nl900638p pmid: 19499897
116 Taubner T, Keilmann  F, Hillenbrand R. Nanomechanical resonance tuning and phase effects in optical near-field interaction. Nano Letters, 2004, 4(9): 1669–1672
https://doi.org/10.1021/nl0491677
117 Zhang L M, Andreev  G O, Fei  Z, McLeod A S,  Dominguez G,  Thiemens M,  Castro-Neto A H,  Basov D N,  Fogler M M. Near-field spectroscopy of silicon dioxide thin films. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2012, 85(7): 075419
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.075419
118 Fei Z, Andreev  G O, Bao  W, Zhang L M,  McLeod A S,  Wang C, Stewart  M K, Zhao  Z, Dominguez G,  Thiemens M,  Fogler M M,  Tauber M J,  Castro-Neto A H,  Lau C N,  Keilmann F,  Basov D N. Infrared nanoscopy of dirac plasmons at the graphene-SiO2 interface. Nano Letters, 2011, 11(11): 4701–4705
https://doi.org/10.1021/nl202362d pmid: 21972938
119 Chen J, Badioli  M, Alonso-González P, Thongrattanasiri S,  Huth F, Osmond  J, Spasenović M, Centeno A,  Pesquera A,  Godignon P,  Elorza A Z,  Camara N,  García de Abajo F J, Hillenbrand R,  Koppens F H. Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons. Nature, 2012, 487(7405): 77–81
pmid: 22722861
120 Huth F, Chuvilin  A, Schnell M,  Amenabar I,  Krutokhvostov R,  Lopatin S,  Hillenbrand R. Resonant antenna probes for tip-enhanced infrared near-field microscopy. Nano Letters, 2013, 13(3): 1065–1072
https://doi.org/10.1021/nl304289g pmid: 23362918
121 Xu X G, Tanur  A E, Walker  G C. Phase controlled homodyne infrared near-field microscopy and spectroscopy reveal inhomogeneity within and among individual boron nitride nanotubes. Journal of Physical Chemistry A, 2013, 117(16): 3348–3354
https://doi.org/10.1021/jp4008784 pmid: 23465036
122 Fei Z, Rodin  A S, Gannett  W, Dai S,  Regan W,  Wagner M,  Liu M K,  McLeod A S,  Dominguez G,  Thiemens M,  Castro Neto A H,  Keilmann F,  Zettl A,  Hillenbrand R,  Fogler M M,  Basov D N. Electronic and plasmonic phenomena at graphene grain boundaries. Nature Nanotechnology, 2013, 8(11): 821–825
https://doi.org/10.1038/nnano.2013.197 pmid: 24122082
123 Berweger S, Nguyen  D M, Muller  E A, Bechtel  H A, Perkins  T T, Raschke  M B. Nano-chemical infrared imaging of membrane proteins in lipid bilayers. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(49): 18292–18295
https://doi.org/10.1021/ja409815g pmid: 24251914
124 Xu X G, Gilburd  L, Walker G C. Phase stabilized homodyne of infrared scattering type scanning near-field optical microscopy. Applied Physics Letters, 2014, 105(26): 263104
https://doi.org/10.1063/1.4905207
125 Yoxall E, Schnell  M, Mastel S,  Hillenbrand R. Magnitude and phase-resolved infrared vibrational nanospectroscopy with a swept quantum cascade laser. Optics Express, 2015, 23(10): 13358–13369
https://doi.org/10.1364/OE.23.013358 pmid: 26074585
126 Amarie S, Ganz  T, Keilmann F. Mid-infrared near-field spectroscopy. Optics Express, 2009, 17(24): 21794–21801
https://doi.org/10.1364/OE.17.021794 pmid: 19997423
127 Amarie S, Keilmann  F. Broadband-infrared assessment of phonon resonance in scattering-type near-field microscopy. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2011, 83(4): 045404
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.045404
128 Keilmann F, Amarie  S. Mid-infrared frequency comb spanning an octave based on an Er fiber laser and difference-frequency generation. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2012, 33(5): 479–484
https://doi.org/10.1007/s10762-012-9894-x
129 Amarie S, Zaslansky  P, Kajihara Y,  Griesshaber E,  Schmahl W W,  Keilmann F. Nano-FTIR chemical mapping of minerals in biological materials. Beilstein Journal of Nanotechnology, 2012, 3: 312–323
https://doi.org/10.3762/bjnano.3.35 pmid: 22563528
130 Huth F, Govyadinov  A, Amarie S,  Nuansing W,  Keilmann F,  Hillenbrand R. Nano-FTIR absorption spectroscopy of molecular fingerprints at 20 nm spatial resolution. Nano Letters, 2012, 12(8): 3973–3978
https://doi.org/10.1021/nl301159v pmid: 22703339
131 Xu X G, Rang  M, Craig I M,  Raschke M B. Pushing the sample-size limit of infrared vibrational nanospectroscopy: from monolayer toward single molecule sensitivity. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2012, 3(13): 1836–1841
https://doi.org/10.1021/jz300463d pmid: 26291869
132 Govyadinov A A,  Amenabar I,  Huth F, Carney  P S, Hillenbrand  R. Quantitative measurement of local infrared absorption and dielectric function with tip-enhanced near-field microscopy. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2013, 4(9): 1526–1531
https://doi.org/10.1021/jz400453r pmid: 26282309
133 Amenabar I, Poly  S, Nuansing W,  Hubrich E H,  Govyadinov A A,  Huth F, Krutokhvostov  R, Zhang L,  Knez M, Heberle  J, Bittner A M,  Hillenbrand R. Structural analysis and mapping of individual protein complexes by infrared nanospectroscopy. Nature Communications, 2013, 4: 2890
https://doi.org/10.1038/ncomms3890 pmid: 24301518
134 McLeod A S, Kelly  P, Goldflam M D,  Gainsforth Z,  Westphal A J,  Dominguez G,  Thiemens M H,  Fogler M M,  Basov D N. Model for quantitative tip-enhanced spectroscopy and the extraction of nanoscale-resolved optical constants. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2014, 90(8): 085136
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.085136
135 Khatib O, Wood  J D, McLeod  A S, Goldflam  M D, Wagner  M, Damhorst G L,  Koepke J C,  Doidge G P,  Rangarajan A,  Bashir R,  Pop E, Lyding  J W, Thiemens  M H, Keilmann  F, Basov D N. Graphene-based platform for infrared near-field nanospectroscopy of water and biological materials in an aqueous environment. ACS Nano, 2015, 9(8): 7968–7975
https://doi.org/10.1021/acsnano.5b01184 pmid: 26223158
136 Amenabar I, Poly  S, Goikoetxea M,  Nuansing W,  Lasch P,  Hillenbrand R. Hyperspectral infrared nanoimaging of organic samples based on Fourier transform infrared nanospectroscopy. Nature Communications, 2017, 8: 14402
https://doi.org/10.1038/ncomms14402 pmid: 28198384
137 Huth F, Schnell  M, Wittborn J,  Ocelic N,  Hillenbrand R. Infrared-spectroscopic nanoimaging with a thermal source. Nature Materials, 2011, 10(5): 352–356
https://doi.org/10.1038/nmat3006 pmid: 21499314
138 O’Callahan B T,  Lewis W E,  Möbius S,  Stanley J C,  Muller E A,  Raschke M B. Broadband infrared vibrational nano-spectroscopy using thermal blackbody radiation. Optics Express, 2015, 23(25): 32063–32074
https://doi.org/10.1364/OE.23.032063 pmid: 26698997
139 Ikemoto Y, Ishikawa  M, Nakashima S,  Okamura H,  Haruyama Y,  Matsui S,  Moriwaki T,  Kinoshita T. Development of scattering near-field optical microspectroscopy apparatus using an infrared synchrotron radiation source. Optics Communications, 2012, 285(8): 2212–2217
https://doi.org/10.1016/j.optcom.2011.12.106
140 Hermann P, Hoehl  A, Patoka P,  Huth F, Rühl  E, Ulm G. Near-field imaging and nano-Fourier-transform infrared spectroscopy using broadband synchrotron radiation. Optics Express, 2013, 21(3): 2913–2919
https://doi.org/10.1364/OE.21.002913 pmid: 23481749
141 Bechtel H A, Muller  E A, Olmon  R L, Martin  M C, Raschke  M B. Ultrabroadband infrared nanospectroscopic imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(20): 7191–7196
https://doi.org/10.1073/pnas.1400502111 pmid: 24803431
142 Peragut F, Brubach  J B, Roy  P, de Wilde Y. Infrared near-field imaging and spectroscopy based on thermal or synchrotron radiation. Applied Physics Letters, 2014, 104(25): 251118
https://doi.org/10.1063/1.4885416
143 Jones A C, Raschke  M B. Thermal infrared near-field spectroscopy. Nano Letters, 2012, 12(3): 1475–1481
https://doi.org/10.1021/nl204201g pmid: 22280474
144 Jones A C, O’Callahan  B T, Yang  H U, Raschke  M B. The thermal near-field: coherence, spectroscopy, heat-transfer, and optical forces. Progress in Surface Science, 2013, 88(4): 349–392
https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2013.07.001
145 Alonso-González P,  Albella P,  Neubrech F,  Huck C, Chen  J, Golmar F,  Casanova F,  Hueso L E,  Pucci A,  Aizpurua J,  Hillenbrand R. Experimental verification of the spectral shift between near- and far-field peak intensities of plasmonic infrared nanoantennas. Physical Review Letters, 2013, 110(20): 203902
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.203902 pmid: 25167410
146 Walford J N, Porto  J A, Carminati  R, Greffet J J,  Adam P M,  Hudlet S,  Bijeon J L,  Stashkevich A,  Royer P. Influence of tip modulation on image formation in scanning near-field optical microscopy. Journal of Applied Physics, 2001, 89(9): 5159–5169
https://doi.org/10.1063/1.1359153
147 Joulain K, Ben-Abdallah  P, Chapuis P O,  de Wilde Y,  Babuty A,  Henkel C. Strong tip–sample coupling in thermal radiation scanning tunneling microscopy. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2014, 136: 1–15
https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2013.12.006
148 Jarzembski A, Park  K. Finite dipole model for extreme near-field thermal radiation between a tip and planar SiC substrate. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2017, 191: 67–74
https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.02.001
149 Cvitkovic A, Ocelic  N, Hillenbrand R. Analytical model for quantitative prediction of material contrasts in scattering-type near-field optical microscopy. Optics Express, 2007, 15(14): 8550–8565
https://doi.org/10.1364/OE.15.008550 pmid: 19547189
150 Cvitkovic A, Ocelic  N, Aizpurua J,  Guckenberger R,  Hillenbrand R. Infrared imaging of single nanoparticles via strong field enhancement in a scanning nanogap. Physical Review Letters, 2006, 97(6): 060801
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.060801 pmid: 17026154
151 Renger J, Grafström  S, Eng L M,  Hillenbrand R. Resonant light scattering by near-field-induced phonon polaritons. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2005, 71(7): 075410
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.075410
152 Fikri R, Barchiesi  D, H’Dhili F,  Bachelot R,  Vial A, Royer  P. Modeling recent experiments of apertureless near-field optical microscopy using 2D finite element method. Optics Communications, 2003, 221(1–3): 13–22
https://doi.org/10.1016/S0030-4018(03)01463-9
153 Micic M, Klymyshyn  N, Suh Y,  Lu H. Finite element method simulation of the field distribution for AFM tip-enhanced surface-enhanced Raman scanning microscopy. Journal of Physical Chemistry B, 2003, 107(7): 1574–1584
https://doi.org/10.1021/jp022060s
154 Brehm M, Schliesser  A, Cajko F,  Tsukerman I,  Keilmann F. Antenna-mediated back-scattering efficiency in infrared near-field microscopy. Optics Express, 2008, 16(15): 11203–11215
https://doi.org/10.1364/OE.16.011203 pmid: 18648436
155 Sukhov S V. Role of multipole moment of the probe in apertureless near-field optical microscopy. Ultramicroscopy, 2004, 101(2–4): 111–122
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2004.05.008 pmid: 15450656
156 Hatano H, Kawata  S. Applicability of deconvolution and nonlinear optimization for reconstructing optical images from near-field optical microscope images. Journal of Microscopy, 1999, 194(2–3): 230–234
https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.1999.00564.x pmid: 11388244
157 Zhang Z M. Nano/microscale Heat Transfer, 5th ed. New York: McGraw Hill, 2007
158 Lee B J, Park  K, Zhang Z M. Energy pathways in nanoscale thermal radiation. Applied Physics Letters, 2007, 91(15): 153101
https://doi.org/10.1063/1.2793688
159 Francoeur M, Basu  S, Petersen S J. Electric and magnetic surface polariton mediated near-field radiative heat transfer between metamaterials made of silicon carbide particles. Optics Express, 2011, 19(20): 18774–18788
https://doi.org/10.1364/OE.19.018774 pmid: 21996819
160 Fei Z, Rodin  A S, Andreev  G O, Bao  W, McLeod A S,  Wagner M,  Zhang L M,  Zhao Z, Thiemens  M, Dominguez G,  Fogler M M,  Castro Neto A H,  Lau C N,  Keilmann F,  Basov D N. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature, 2012, 487(7405): 82–85
pmid: 22722866
161 Wang Q H, Kalantar-Zadeh  K, Kis A,  Coleman J N,  Strano M S. Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nature Nanotechnology, 2012, 7(11): 699–712
https://doi.org/10.1038/nnano.2012.193 pmid: 23132225
162 Gowen A A, O’Donnell  C P, Cullen  P J, Downey  G, Frias J M. Hyperspectral imaging–an emerging process analytical tool for food quality and safety control. Trends in Food Science & Technology, 2007, 18(12): 590–598
https://doi.org/10.1016/j.tifs.2007.06.001
163 Lu G, Fei  B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics, 2014, 19(1): 010901
https://doi.org/10.1117/1.JBO.19.1.010901 pmid: 24441941
164 Ossikovski R, Nguyen  Q, Picardi G. Simple model for the polarization effects in tip-enhanced Raman spectroscopy. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2007, 75(4): 045412
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.045412
165 Wessel J. Surface-enhanced optical microscopy. Journal of the Optical Society of America. B, Optical Physics, 1985, 2(9): 1538
https://doi.org/10.1364/JOSAB.2.001538
166 Stöckle R M,  Suh Y D,  Deckert V,  Zenobi R. Nanoscale chemical analysis by tip-enhanced Raman spectroscopy. Chemical Physics Letters, 2000, 318(1–3): 131–136
https://doi.org/10.1016/S0009-2614(99)01451-7
167 Hayazawa N, Inouye  Y, Sekkat Z,  Kawata S. Metallized tip amplification of near-field Raman scattering. Optics Communications, 2000, 183(1–4): 333–336
https://doi.org/10.1016/S0030-4018(00)00894-4
168 Anderson M S. Locally enhanced Raman spectroscopy with an atomic force microscope. Applied Physics Letters, 2000, 76(21): 3130–3132
https://doi.org/10.1063/1.126546
169 Pettinger B, Picardi  G, Schuster R,  Ertl G. Surface enhanced Raman spectroscopy: towards single molecular spectroscopy. Electrochemistry, 2000, 68(12): 942–949
170 Bailo E, Deckert  V. Tip-enhanced Raman scattering. Chemical Society Reviews, 2008, 37(5): 921–930
https://doi.org/10.1039/b705967c pmid: 18443677
171 Yeo B S, Stadler  J, Schmid T,  Zenobi R,  Zhang W. Tip-enhanced Raman Spectroscopy–its status, challenges and future directions. Chemical Physics Letters, 2009, 472(1–3): 1–13
https://doi.org/10.1016/j.cplett.2009.02.023
172 Kumar N, Mignuzzi  S, Su W,  Roy D. Tip-enhanced Raman spectroscopy: principles and applications. EPJ Techniques and Instrumentation, 2015, 2(1): 9
https://doi.org/10.1140/epjti/s40485-015-0019-5
173 Weber-Bargioni A, Schwartzberg  A, Cornaglia M,  Ismach A,  Urban J J,  Pang Y, Gordon  R, Bokor J,  Salmeron M B,  Ogletree D F,  Ashby P,  Cabrini S,  Schuck P J. Hyperspectral nanoscale imaging on dielectric substrates with coaxial optical antenna scan probes. Nano Letters, 2011, 11(3): 1201–1207
https://doi.org/10.1021/nl104163m pmid: 21261258
174 Wickramasinghe H K,  Chaigneau M,  Yasukuni R,  Picardi G,  Ossikovski R. Billion-fold increase in tip-enhanced Raman signal. ACS Nano, 2014, 8(4): 3421–3426
https://doi.org/10.1021/nn406263m pmid: 24601546
175 Sackrow M, Stanciu  C, Lieb M A,  Meixner A J. Imaging nanometre-sized hot spots on smooth AU films with high-resolution tip-enhanced luminescence and Raman near-field optical microscopy. Chemphyschem, 2008, 9(2): 316–320
https://doi.org/10.1002/cphc.200700723 pmid: 18189253
176 Tarun A, Hayazawa  N, Motohashi M,  Kawata S. Highly efficient tip-enhanced Raman spectroscopy and microscopy of strained silicon. Review of Scientific Instruments, 2008, 79(1): 013706
https://doi.org/10.1063/1.2832347 pmid: 18248038
177 Saito Y, Hayazawa  N, Kataura H,  Murakami T,  Tsukagoshi K,  Inouye Y,  Kawata S. Polarization measurements in tip-enhanced Raman spectroscopy applied to single-walled carbon nanotubes. Chemical Physics Letters, 2005, 410(1–3): 136–141
https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.05.003
178 Neugebauer U, Rösch  P, Schmitt M,  Popp J, Julien  C, Rasmussen A,  Budich C,  Deckert V. On the way to nanometer-sized information of the bacterial surface by tip-enhanced Raman spectroscopy. Chemphyschem, 2006, 7(7): 1428–1430
https://doi.org/10.1002/cphc.200600173 pmid: 16789043
179 Böhme R, Richter  M, Cialla D,  Rösch P,  Deckert V,  Popp J. Towards a specific characterisation of components on a cell surface-combined TERS-investigations of lipids and human cells. Journal of Raman Spectroscopy: JRS, 2009, 40(10): 1452–1457
https://doi.org/10.1002/jrs.2433
180 Bailo E, Deckert  V. Tip-enhanced Raman spectroscopy of single RNA strands: towards a novel direct-sequencing method. Angewandte Chemie (International ed. in English), 2008, 47(9): 1658–1661
https://doi.org/10.1002/anie.200704054 pmid: 18188855
181 Deckert-Gaudig T, Bailo  E, Deckert V. Tip-enhanced Raman scattering (TERS) of oxidised glutathione on an ultraflat gold nanoplate. Physical chemistry chemical physics: PCCP, 2009, 11(34): 7360–7362
https://doi.org/10.1039/b904735b pmid: 19690706
182 Yeo B S, Amstad  E, Schmid T,  Stadler J,  Zenobi R. Nanoscale probing of a polymer-blend thin film with tip-enhanced Raman spectroscopy. Small, 2009, 5(8): 952–960
https://doi.org/10.1002/smll.200801101 pmid: 19263426
183 van Schrojenstein Lantman E M,  Deckert-Gaudig T,  Mank A J G,  Deckert V,  Weckhuysen B M. Catalytic processes monitored at the nanoscale with tip-enhanced Raman spectroscopy. Nature Nanotechnology, 2012, 7(9): 583–586
https://doi.org/10.1038/nnano.2012.131 pmid: 22902959
184 Wang X, Zhang  D, Braun K,  Egelhaaf H J,  Brabec C J,  Meixner A J. High-resolution spectroscopic mapping of the chemical contrast from nanometer domains in P3HT: PCBM organic blend films for solar-cell applications. Advanced Functional Materials, 2010, 20(3): 492–499
https://doi.org/10.1002/adfm.200901930
185 Lee N, Hartschuh  R D, Mehtani  D, Kisliuk A,  Maguire J F,  Green M,  Foster M D,  Sokolov A P. High contrast scanning nano-Raman spectroscopy of silicon. Journal of Raman Spectroscopy: JRS, 2007, 38(6): 789–796
https://doi.org/10.1002/jrs.1698
186 Hayazawa N, Yano  T, Watanabe H,  Inouye Y,  Kawata S. Detection of an individual single-wall carbon nanotube by tip-enhanced near-field Raman spectroscopy. Chemical Physics Letters, 2003, 376(1–2): 174–180
https://doi.org/10.1016/S0009-2614(03)00883-2
187 Hoffmann G G, de With  G, Loos J. Micro-Raman and tip-enhanced Raman spectroscopy of carbon allotropes. Macromolecular Symposia, 2008, 265(1): 1–11
https://doi.org/10.1002/masy.200850501
188 Neacsu C C, Dreyer  J, Behr N,  Raschke M B. Scanning-probe Raman spectroscopy with single-molecule sensitivity. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2007, 75(23): 193406 
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.193406
189 Zhang R, Zhang  Y, Dong Z C,  Jiang S,  Zhang C,  Chen L G,  Zhang L,  Liao Y, Aizpurua  J, Luo Y,  Yang J L,  Hou J G. Chemical mapping of a single molecule by plasmon-enhanced Raman scattering. Nature, 2013, 498(7452): 82–86
https://doi.org/10.1038/nature12151 pmid: 23739426
190 Yeo B S, Zhang  W, Vannier C,  Zenobi R. Enhancement of Raman signals with silver-coated tips. Applied Spectroscopy, 2006, 60(10): 1142–1147
https://doi.org/10.1366/000370206778664662 pmid: 17059666
191 Cui X, Zhang  W, Yeo B S,  Zenobi R,  Hafner C,  Erni D. Tuning the resonance frequency of Ag-coated dielectric tips. Optics Express, 2007, 15(13): 8309–8316
https://doi.org/10.1364/OE.15.008309 pmid: 19547160
192 Ichimura T, Watanabe  H, Morita Y,  Verma P,  Kawata S,  Inouye Y. Temporal fluctuation of tip-enhanced Raman spectra of adenine molecules temporal fluctuation of tip-enhanced Raman spectra of adenine molecules. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(26): 9460–9464
https://doi.org/10.1021/jp070420b
193 Hayazawa N, Yano  T A, Kawata  S. Highly reproducible tip-enhanced Raman scattering using an oxidized and metallized silicon cantilever tip as a tool for everyone. Journal of Raman Spectroscopy: JRS, 2012, 43(9): 1177–1182
https://doi.org/10.1002/jrs.4032
194 Jahng J, Tork Ladani  F, Khan R M,  Potma E O. Photo-induced force for spectroscopic imaging at the nanoscale. Proceedings of the Society for Photo-Instrumentation Engineers, 2016, 9764: 97641J
https://doi.org/10.1117/12.2208199
195 Nowak D, Morrison  W, Wickramasinghe H K,  Jahng J,  Potma E,  Wan L, Ruiz  R, Albrecht T R,  Schmidt K,  Frommer J,  Sanders D P,  Park S. Nanoscale chemical imaging by photoinduced force microscopy. Science Advances, 2016, 2(3): e1501571
https://doi.org/10.1126/sciadv.1501571 pmid: 27051870
196 Rajapaksa I, Uenal  K, Wickramasinghe H K. Image force microscopy of molecular resonance: a microscope principle. Applied Physics Letters, 2010, 97(7): 073121
https://doi.org/10.1063/1.3480608 pmid: 20859536
197 Rajapaksa I, Kumar Wickramasinghe  H. Raman spectroscopy and microscopy based on mechanical force detection. Applied Physics Letters, 2011, 99(16): 161103
https://doi.org/10.1063/1.3652760 pmid: 22087048
198 Huang F, Tamma  V A, Mardy  Z, Burdett J,  Wickramasinghe H K. Imaging nanoscale electromagnetic near-field distributions using optical forces. Scientific Reports, 2015, 5(1): 10610
https://doi.org/10.1038/srep10610 pmid: 26073331
199 Jahng J, Fishman  D A, Park  S, Nowak D B,  Morrison W A,  Wickramasinghe H K,  Potma E O. Linear and nonlinear optical spectroscopy at the nanoscale with photoinduced force microscopy. Accounts of Chemical Research, 2015, 48(10): 2671–2679
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.5b00327 pmid: 26449563
200 Jahng J, Brocious  J, Fishman D A,  Yampolsky S,  Nowak D,  Huang F,  Apkarian V A,  Wickramasinghe H K,  Potma E O. Ultrafast pump-probe force microscopy with nanoscale resolution. Applied Physics Letters, 2015, 106(8): 083113
https://doi.org/10.1063/1.4913853
201 Murdick R A, Morrison  W, Nowak D,  Albrecht T R,  Jahng J,  Park S. Photoinduced force microscopy : a technique for hyperspectral nanochemical mapping. Japanese Journal of Applied Physics, 2017, 56(8): 08LA04
202 Jahng J, Brocious  J, Fishman D A,  Huang F,  Li X, Tamma  V A, Wickramasinghe  H K, Potma  E O. Gradient and scattering forces in photoinduced force microscopy. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2014, 90(15): 155417
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.155417
203 Jahng J, Ladani  F T, Khan  R M, Li  X, Lee E S,  Potma E O. Visualizing surface plasmon polaritons by their gradient force. Optics Letters, 2015, 40(21): 5058–5061
https://doi.org/10.1364/OL.40.005058 pmid: 26512518
204 Tumkur T U, Yang  X, Cerjan B,  Halas N J,  Nordlander P,  Thomann I. Photoinduced force mapping of plasmonic nanostructures. Nano Letters, 2016, 16(12): 7942–7949
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04245 pmid: 27960494
205 Tamma V A, Huang  F, Nowak D,  Kumar Wickramasinghe H. Stimulated Raman spectroscopy and nanoscopy of molecules using near field photon induced forces without resonant electronic enhancement gain. Applied Physics Letters, 2016, 108(23): 233107
https://doi.org/10.1063/1.4952738
206 Ambrosio A, Devlin  R C, Capasso  F, Wilson W L. Observation of nanoscale refractive index contrast via photoinduced force microscopy. ACS Photonics, 2017, 4(4): 846–851
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00911
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed