Nano-FTIR-nanoskala infrarød spektroskopi med en termisk kilde

Forskere fra det baskiske forskningscenter for nanovidenskab CIC nanoGUNE og Neaspec GmbH (Tyskland) har udviklet et instrument, der gør det muligt at optage infrarøde spektre med en termisk kilde i en opløsning, der er 100 gange bedre end ved konventionel infrarød spektroskopi. I fremtiden, Teknikken kunne anvendes til at analysere den lokale kemiske sammensætning og struktur af materialer i nanoskala i polymerkompositter, halvlederenheder, mineraler eller biologisk væv. Værket er udgivet i Naturmaterialer .

Absorptionen af ​​infrarød stråling er karakteristisk for materialernes kemiske sammensætning og struktur. Af denne grund, et infrarødt spektrum kan betragtes som et materiales "fingeraftryk". Infrarød spektroskopi er således blevet et vigtigt værktøj til at karakterisere og identificere materialer og anvendes bredt i forskellige videnskaber og teknologier, herunder materialevidenskab og biomedicinsk diagnostik. Imidlertid, med konventionelle optiske instrumenter, såsom FTIR (Fourier Transform Infrared) infrarøde spektrometre, lyset kan ikke fokuseres til spotstørrelser under flere mikrometer. Denne grundlæggende begrænsning forhindrer infrarød-spektroskopisk kortlægning af enkelte nanopartikler, molekyler eller moderne halvlederenheder.

Forskere ved nanoGUNE og Neaspec har nu udviklet et infrarødt spektrometer, der giver mulighed for billeddannelse i nanoskala med termisk stråling. Opsætningen – kort sagt nano-FTIR (se figur) – er baseret på et sprednings-type nærfeltsmikroskop (NeaSNOM), der bruger en skarp metallisk spids til at scanne topografien af ​​en prøveoverflade. Mens du scanner overfladen, spidsen er belyst med det infrarøde lys fra en termisk kilde. Fungerer som en antenne, spidsen konverterer det indfaldende lys til en nanoskala infrarød plet (nanofokus) ved spidsens spids. Ved at analysere det spredte infrarøde lys med et specielt designet FTIR-spektrometer, forskerne var i stand til at optage infrarøde spektre fra ultrasmå prøvevolumener.

I deres eksperimenter, det lykkedes forskerne at optage infrarøde billeder af en halvlederenhed fra Infineon Technologies AG (München). "Vi opnåede en rumlig opløsning bedre end 100 nm. Dette viser direkte, at termisk stråling kan fokuseres til en pletstørrelse, der er hundrede gange mindre end i konventionel infrarød spektroskopi", siger FlorianHuth, hvem udførte forsøgene. Forskeren demonstrerede, at nano-FTIR kan anvendes til at genkende forskelligt behandlede siliciumoxider eller til at måle den lokale elektrondensitet i komplekse industrielle elektroniske enheder. "Vores teknik gør det muligt at optage spektre i det nær-til-fjern-infrarøde spektralområde. Dette er en væsentlig funktion til at analysere den kemiske sammensætning af ukendte nanomaterialer", forklarer Rainer Hillenbrand, leder af Nanooptics-gruppen på nanoGUNE.

Nano-FTIR har et interessant anvendelsespotentiale inden for vidt forskellige videnskaber og teknologier, lige fra halvlederindustri til nanogeokemi og astrofysik. "Baseret på vibrationsfingeraftryksspektroskopi, det kunne anvendes til kortlægning af organiske og uorganiske nanosystemers kemiske sammensætning og strukturelle egenskaber på nanoskala, inklusive organiske halvledere, solceller, nanotråde, keramik og mineraler", tilføjer FlorianHuth.