NanoIR spektroskopie a mapování - Anasys

Od roku 2017 zastupujeme firmu Anasys Instruments, která nabízí vynikající přístroje pro nano infračervenou (IR) spektroskopii a přístroje pro měření různých chemických a fyzikálních vlastností s vysokým laterálním rozlišením. Infračervená spektroskopie, podobně jako Ramanova spektroskopie, poskytuje informace o chemickém složení vzorku. Její nevýhodou je nízké laterální rozlišením vzhledem k použití infračerveného zdroje záření. Nejlepší infračervené mikrospektrometry dosahují dnes reálné laterální rozlišení 3 mikrometry. Laterální rozlišení lze řádově vylepšit v kombinaci s AFM mikroskopem. Nejnovější modely přístrojů firmy Anasys dnes dosahují laterálního rozlišením 10 nm a zároveň jsou schopny detekovat i velmi tenké, atomární vrstvy materiálů. AFM hrot se využívá buď k měření lokální expanze materiálu díky absorpci infračerveného záření, metoda AFM-IR, nebo slouží k lokalizaci IČ záření v místě excitace, metoda scattering SNOM (s-SNOM). Tyto techniky jsou jakousi obdobou hrotově zesílené Ramanovy spektroskopie (TERS), ale jejich velkou výhodou ve srovnání s TERS je jednodušší experimentální provedení a použitelnost pro širší spektrum vzorků. AFM-IR metoda se hodí především pro polymerní materiály, biologické vzorky - podmínkou je absorpce IČ záření v oblasti 900-3600 cm-1, metoda s-SNOM je vhodnější pro vzorky jakou jsou grafén, křemík atd. Podrobnosti jsou uvedeny v následujícím popisu obout technik. Pro podrobnější seznámí s těmito technikami lze také využít webináře, viz odkazy na konci stránky. Dále na stránkách firmy výrobce najdete přehled vědeckých publikací, které využívají techniky a přístroje Anasys Instruments. 

Popis techniky AFM-IR

Při této technice je laditelný IR laser zafokusován na vzorek v místě, kde je AFM hrot v kontaktu se vzorkem. Pokud vlnová délka IR laseru  odpovídá absorbčnímu pásu materiálu, dojde k absorbci energie laseru a k rychlé termální expanzi materiálu pod hrotem a k oscilacím AFM hrotu. Spektra, získaná měřením oscilací hrotu jako funkce vlnové délky IR laseru, většinou dobře korelují s FTIR spektry. Interpretace výsledků je tak jednodušší ve srovnání s metodou s-SNOM. Tato technika tedy umožňuje současné měření topografie a chemického složení vzorku s vysokým laterálním rozlišením (<10 nm). Při použití vysokofrekvenčního laseru je možné toto měření provádět také v semikontaktním režimu - Tapping AFM-IR.

Popis techniky IR s-SNOM

Technika IR s-SNOM spočívá ve fokusaci IR laseru na vzorek v oblasti, kde je AFM hrot v kontaktu se vzorkem. Systém sbírá rozptýlené světlo, které nese informaci o optických vlastnostech vzorku pod vrcholem hrotu. Díky lokalizované interakci pod vrcholem AFM hrotu je možné dosáhnout <10nm rozlišení. Signál je detekován interferometricky a je měřena amplituda a fázový obraz vzorku. Naladěním laseru na vlnovou délku specifické chemické rezonance může být prováděno chemické mapování. U této techniky nelze získaná spektra srovnávat přímo s FT-IR spektry, pro interpretaci se často využívají nástroje pro modelování a tvorbu fyzikálních modelů.

mIRage

NOVINKA mIRage je unikátní přístroj, který umožňuje provádět IR spektroskopii a mapování se submikronovým rozlišením bezkontaktně, bez použití AFM hrotu.

Jedinečné vlastnosti přístroje mIRage:

  • Submikronová IR spektroskopie a mapování
  • Reflexní měření kvalitativně srovnatelná s FTIR transmisními spektry
  • Laterální rozlišení je nezávislé na vlnové délce IR záření
  • Nekontaktní optická technika

Princip měření

mIRage překonává difrakční limit IR spektroskopie a dosahuje submikronového laterálního rozlišení bez ohledu na vlnovou délku IR laseru inovativní technikou založenou na podobném principu, jaký využívá technika AFM-IR. Záření z laditelného mid-IR laseru dopadá na vzorek, kde indukuje fototermální efekt - pokud je vlnová délka záření v oblasti absorpčního pásu materiálu vzorku, dojde k absorbci energie laseru a rapidní termální expanzi vzorku. Ta je narozdíl od AFM-IR detekována pomocí laseru ve viditelné oblasti, který je zafokusován na malou oblast na povrchu vzorku. Tak je dosaženo submikronového rozlišení bezkontaktně.

Zjednodušení přípravy vzorků

Vzorek kosti: IR spektra a hyperspektrální obraz z reflexního módu, 25x25um, 500nm vzdálenost mezi body.
Vlevo: Obraz na jedné vlnové délce (1058 cm-1) z hyperspektrálních dat.
Vpravo: Spektrum z jednoho pixelu, čas měření jednoho spektra
 1 s

mIRage umožňuje měřit v reflexním módu IR spektra kvalitativně srovnatelná se spektry transmisními. Díky tomu se dramaticky zjednodušuje příprava vzorků, protože nejsou třeba tenké plátky a je také možné změřit větší počet vzorků.

Kombinace s platformou nanoIRTM

Systém mIRage je možné zkombinovat s platformou nanoIRTM. Uživatel tak získá možnost rychlého měření velké plochy pomocí mIRage se submikronovým rozlišením pro identifikaci oblastí zájmu a následného detailního měření pomocí nanoIR s rozlišením <10 nm.

Příklady aplikací přístroje mIRage

Polymery

Vzorek polymerního filmu z více vrstev: Spektra měřená v linii na každé vrstvě na přůřezu vzorkem v reflexním módu. 100 skenů/spektrum (140 sekund). Vložen je optický obraz průřezu polymerem z mIRage.

Life science

Vzorek prasečí kmenové buňky: Sken měřený v reflexním módu na jedné vlnové délce
(1540 cm-1), exportováno z hyperspektrálních dat. 30x30um sken, 500nm vzdálenost mezi pixely, 1 spektrum/pixel (1 s)

Farmaceutické aplikace

Směsný vzorek léčiva a polymeru: Sken měřený v reflexním módu na jedné vlnové délce
(1666 cm-1,
50x50 um). Sken ukazuje rozložení léčiva (dexametason) v PLGA polymerové matrici.

Další informace najdete v informačním prospektu.

nanoIR2-FS

nanoIR2-FS je přístroj nejnovější generace pro nano IR spektroskopii a mapování chemického složení vzorku. Přístroj je vhodný jak pro materiálové, tak pro life science aplikace.

Unikátní vlastnosti nanoIR2-FS:

  • Tapping AFM-IR - patentovaný měřící mód, který poskytuje <10nm laterální rozlišení při mapování chemického složení. Díky vysoké citlivosti měření je možné také měření monovrstev.
  • FASTspectra - vlastní technologie firmy Anasys, díky které je měření spekter 10x rychlejší než měření konvenčními metodami. Dále rozšiřuje spektrální rozsah o oblast 2700 až  3600 cm-1.
  • nanoIR data korelují s daty z transmisního FTIR
  • Možnost rozšíření o uzavřenou vzorkovou komoru (environmental enclosure) s možností měření v kontrolované atmosféře (kontrola vlhkosti od 4 do 95%) a ohřevem/chlazením od -20 do 80 °C.

Příklady aplikací přístroje nanoIR2-FS

Chemická analýza polovodičového zařízení

nanoIR měření na vrstvách v polovodičovém zařízení. Analýza ukazuje různé chemické složení neměřitelné konvenční IR mikroskopií.

Analýza rozhraní kompozitů

nanoIR měření na kompozitu z uhlíkových vláken a epoxidu, které odhaluje změny v chemickém složení na rozhraní vlákno/epoxid. Toto měření bylo provedeno na leštěném bulkovém vzorku.

Organický nanokontaminant na kovovém povrchu

Spektra naměřená pomocí Resonant enhanced módu umožňují identifikaci organického kontaminantu nanovelikosti na magnetickém disku. Tato částice má rozměry přibližně 100 x 200 x 28 nm.

Částice toneru připravená pro měření v mikrotomu

Částice toneru jsou komplexní směsí komponent, nanoIR umožňuje identifikaci a lokalizace těchto komponent s rozlišením na nanoúrovni.

Uhlovodíky v minerálech

AFM topografie (vlevo) a IR absorpce (vpravo) ukazující umístění uhlovodíků absorbcí skupinou CH.

Tenké polymerní vrstvy

Resonance enhanced mód umožňuje provádění vysoce kvalitních měření na velmi tenkých vrstvách. 20nm vrstva na PMMA měřená pomocí nanoIR.

Další informace najdete v informačním prospektu a ve webináři 10nm resolution chemical imaging with Tapping AFM-IR, který je k dispozici na odkazu níže:

https://goo.gl/n5Ajgd

nanoIR2-S

nanoIR2-S je v současné době jediný přístroj na trhu, který v sobě kombinuje AFM-IR a s-SNOM. Porovnání obou metod najdete zde.

Unikátní vlastnosti nanoIR2-s:

  • 10nm laterální rozlišení pro chemické a optické zobrazování
  • spojuje v sobě dvě komplementární nanoIR techniky: s-SNOM a AFM-IR
  • mapování chemických a optických vlastností vzorku na úrovni nano společně s plnohodnotným AFM
  • nanoIR data korelují s daty z transmisního FTIR

Možnost rozšíření o uzavřenou enviromentální komoru (environmental enclosure) s možností měření v kontrolované atmosféře (inertní plyny, kontrola vlhkosti od 4 do 95%). Komoru lze kombinovat se stolkem pro  ohřev/chlazení v rozsahu od -20 do 80 °C.

Příklady aplikací přístroje nanoIR2-s

hBN fonon-polaritony

Zobrazování povrchvových fonon polaritonů (SPhP) na hexagonálním boron nitridu (hBN).
a) AFM topografie ukazuje homogenní hBN povrch s různými vrstvaní na Si substrátu.
b) s-SNOM amplituda ukazující silné interferenční okraje díky SPhP propagujícím po povrchu hBN. c) s-SNOM fáze ukazuje fázový rozdíl s tloušťkou vrstev
Obrázky b a c také ukazují vlnové délky SPhP změn podle počtu vrstev.

Plasmony grafénu

Obrazy s-SNOM fáze a amplitudy povrchového plasmopolaritionu (SPP) na grafénovém klínu.
Vlevo - 3D znázornění fázového obrazu
Uprostřed - s-SNOM fáze s průřezem SPP stacionární vlny
Vpravo - s-SNOM amplituda

Life science

s-SNOM měření fialové membrány, které ukazuje distribuci proteinu v lipidové membráně.
Vlevo - AFM topografie
Uprostřed - s-SNOM fázový obraz, IR zdroj naladěn na absorpční pás amide I
Vpravo - s-SNOM fázový obraz mimo rezonanční frekvenci

Aplikační list kombinující měření s-SNOM a AFM-IR

V aplikačním listu Experimental demonstration of the microscopic origin of circular dichroism in two-dimensional metamaterials najdete AFM-IR a s-SNOM měření pro stanovení role chirality v cirkulárním dichroismu na 2D metapovrchu. s-SNOM byl použit pro měření distribuce optické energie. AFM-IR bylo použito pro měření Ohmického ohřevu struktury. Aplikační list najdete zde.

Další informace najdete v informačním prospektu a také ve webináři Nano-imaging and IR spectroscopy of novel quantum and photonic materials using s-SNOM and AFM-IR, který je k dispozici na odkazu níže:

goo.gl/DmwrJC

afm+

Základní AFM mikroskop.

  • Samostatný, plnohodnotné AFM mikroskop se všemi standardními zobrazovacími módy (včetně elektrických módů)
  • afm+ je možné v budoucnosti rozšířit o AFM-IR nebo s-SNOM metodu (přístroje nanoIR2-S a nanoIR2-FS)
  • umožňuje použití módů jako LCR (Lorentz Contact Resonance pro mapování mechanických vlastností), nano TA (nano Thermal Analysis), SThM (scanning Thermal Microscopy) a HT-AFM (Heated Tip AFM)

Další informace najdete v informačním prospektu.

Specializované AFM módy

nanoTA - nano termální analýza

  • metoda umožňuje lokální měření a mapování termálních přechodů a dalších termálních vlastností
  • pomocí unikátního hrotu ThermaLeverTM je vzorek lokálně ohříván hrotem (max. teplota hrotu až 400 °C) a systém sleduje ohyb AFM kantilevru
  • tento měřící mód výborně koreluje s daty z objemových (bulk) technik, např. DSC a TMA.

nanoTA analýza PS-PMMA na skle. Sken vlevo ukazuje indenty na povrchu způsobené zvýšením teploty. Graf napravo ukazuje rozdíl mezi PS (červená) a PMMA (zelená). Dále je zde znázorněna tenká vrstva PS na PMMA (modrá). Tyto data ukazují počáteční průnik PS následovaný tavením PMMA.

srovnání nanoTA s DSC (a) a TMA (b) Data byla naměřena množství polymerních vzorků a ukazují vysoký stupeň korelace (>95%) mezi nanoTA a bulkovými technikami

HT-AFM - Heated Tip AFM

Při HT-AFM se měření provádí zahřátým AFM hrotem (až na 400 °C), což usnadňuje rozlišení fází na vzorku.

3um x 1,5um skeny naměřené v semikontaktním módu na směsi PS-PP s topografií (nahoře) a fázovým obrazem (dole). Teplota sondy byla měněna z pokojové teploty (vlevo) na 160°C (uprostřed) a konečně na 230°C (vpravo). Při zvyšování teploty byl PS lépe viditelný ve fázovém obrazu, protože teplota sondy byla vyšší než teplota skelného přechodu PS. Při dalším zvýšení teploty celý povrch vzorku změknul, což ukazuje zhoršený kontrast na fázovém obraze vpravo.

SThM - Scanning Thermal Microscopy

  • Lokální mapování teploty pomocí sondy s termočlánkem.
  • Rozlišení 0,1°C, laterální rozlišení <100nm

Sken 4x8um kompozitu z uklíkových vláken a pryskyřice. Topografie (nahoře) ukazuje uhlíková vlákna. Na obraze SThM (dole) je viditelný teplotní rozdíl mezi materiály díky rozdílům v teplotní vodivosti.

LCR - Lorentz Contact Resonance

  • Kontaktní AFM mód pro mapování viskoelastických vlastnostní vzorku
  • Pro buzení oscilací speciálního hrotu ThermaLeverTM je používáno externí magnetické pole
  • Díky absenci piezo elementu pro buzení oscilací jsou výsledkem LCR čistá rezonanční spektra bez parazitickýh píků

Webináře Anasys Instruments

Na svých stránkách má firma Anasys Instruments zdarma k dispozici webináře, které se zabývají jak obecně technikami AFM-IR, IR s-SNOM a dalšími tak aplikacemi těchto technik. Pro spuštění webinářů stačí vyplnit kontaktní údaje ve formuláři. Zde jsou vybrané webináře:

10nm resolution chemical imaging with Tapping AFM-IR

Dr. Craig Prater discusses the latest advancements in AFM-IR based nanoscale IR spectroscopy, enabling 10nm spatial resolution for chemical imaging. This remarkable capability is achieved with the introductions of Tapping AFM-IR.

Nano-imaging and IR spectroscopy of novel quantum and photonic materials using s-SNOM and AFM-IR

The webinar covers the developments in scattering near field optical microscopy (IR s-SNOM) and AFM-IR. This technology provides high spatial resolution, chemical/optical imaging on a broad range of samples, an enriched understanding of the heterogeneity of the sample, measurements of inter-molecular structure and coupling and more.

Latest advancements in nanoscale IR spectroscopy: Resolution, performance and speed

FASTspectra provides high speed spectroscopy and extends the spectroscopy and extends the spectroscopic range of resonance enhanced AFM-IR. The new Resonance Enhanced AFM-IR (REINS) mode measures thin sample sizes down to single monolayers at high spatial resolution. It delivers spectra data in seconds.

Research frontiers in AFM with heated probes

The webinar covers recent developments in thermal nanoprobes and a wide range applications of nano thermal analysis (nanoTA).


Produkty


© 2017, RMI, s.r.o. – všechna práva vyhrazena

Prohlášení o přístupnosti | Podmínky užití | Ochrana osobních údajů | Mapa stránek

Webové stránky vytvořila eBRÁNA s.r.o. | Vytvořeno na WebArchitect | SEO a internetový marketing

Nahoru ↑