31.07.2020 - Elhuyar Fundazioa

Neue Tiefen in der Infrarot-Nanospektroskopie

Chemische Nanoidentifizierung unter der Oberfläche durch Nano-FTIR-Spektroskopie

Forscher der Nanooptik-Gruppe am CIC nanoGUNE (San Sebastian) zeigen, dass die Infrarot-Bildgebung im Nanomaßstab - die sich als oberflächenempfindliche Technik etabliert hat - zur chemischen Nanoidentifizierung von Materialien eingesetzt werden kann, die sich bis zu 100 nm unter der Oberfläche befinden. Die Ergebnisse zeigen ferner, dass sich die Infrarotsignaturen von dünnen Oberflächenschichten von denen unter der Oberfläche desselben Materials unterscheiden, was zur Unterscheidung der beiden Fälle ausgenutzt werden kann. Die Ergebnisse, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurden, bringen die Technik einen wichtigen Schritt weiter zur quantitativen Chemometrie auf der Nanoskala in drei Dimensionen.

Die optische Spektroskopie mit Infrarotlicht, wie z.B. die Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie, ermöglicht die chemische Identifizierung von organischen und anorganischen Materialien. Die kleinsten Objekte, die mit herkömmlichen FTIR-Mikroskopen unterschieden werden können, haben Größen im Mikrometerbereich. Wissenschaftler am CIC nanoGUNE (San Sebastian) setzten jedoch Nano-FTIR ein, um Objekte aufzulösen, die bis zu einigen Nanometern klein sein können.

Bei Nano-FTIR (das auf der optischen Nahfeldmikroskopie basiert) wird Infrarotlicht an einer scharfen metallisierten Spitze eines Rastersondenmikroskops gestreut. Die Spitze wird über die Oberfläche einer Probe von Interesse gescannt, und die Spektren des gestreuten Lichts werden mit Hilfe der Detektionsprinzipien der Fourier-Transformation aufgezeichnet. Die Aufzeichnung des an der Spitze gestreuten Lichts liefert die spektralen Infraroteigenschaften der Probe und damit die chemische Zusammensetzung eines Bereichs, der sich direkt unter der Spitze befindet. Da die Spitze über die Probenoberfläche gescannt wird, wird Nano-FTIR typischerweise als ein Verfahren zur Oberflächencharakterisierung angesehen.

Wichtig ist jedoch, dass das von der Spitze nano-fokussierte Infrarotlicht nicht nur einen nanometrischen Bereich unterhalb der Spitze sondiert, sondern tatsächlich ein nanometrisches Volumen unterhalb der Spitze sondiert. Nun zeigten die Forscher am CIC nanoGUNE, dass spektrale Signaturen von Materialien, die sich unterhalb der Probenoberfläche befinden, bis zu einer Tiefe von 100 nm nachgewiesen und chemisch identifiziert werden können. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass sich Nano-FTIR-Signale von dünnen Oberflächenschichten von denen Untergrund-Schichten desselben Materials unterscheiden, was zur Bestimmung der Materialverteilung innerhalb der Probe ausgenutzt werden kann. Bemerkenswert ist, dass Oberflächenschichten und Untergrund-Schichten direkt aus experimentellen Daten unterschieden werden können, ohne zeitaufwendige Modellierung.

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