ラマン結合された原子力の顕微鏡検査及び分光学 - TERS および AFM ラマン同じ場所に配置されたシステム

AZoNano 著

目録

導入
原子力の顕微鏡検査
ラマン分光学
次のステップ
結合されたアプローチのための解決
共同集中させた AFM およびラマン測定
     例 1
     例 2
TERS のためのセットアップ: Innova のアイリス
結論
Bruker について

導入

それぞれのユーザベースが一般にかなり異なっているけれどもラマン原子力の顕微鏡検査および分光学はサンプルの表面の特性についてのデータを得るのに使用されている両方とも方法です。 これらの技術の統合は保障しますいろいろなアプリケーションに使用することができることを。 このアプリケーションノートは両方の技術から得られる補足情報を総合システムへのアクセスがある研究者が使用できる追加情報からどのように寄与できるか両方とも見。

原子力の顕微鏡検査

原子力の顕微鏡検査では、鋭いプローブはサンプルに近く持って来られ、その間隔で力ベースのフィードバックループを使用して保持されます。 一次フィードバックループが基づいている力、電流、表面の潜在性および特定の nanomechanical 特性は測定することができます。 順次方法の離散位置で互いはスキャンし、これらの量を測定することによって相関的なサンプルおよび先端を指定サンプル特性の三次元画像作成することができます。 原子力の顕微鏡 (AFM)セットアップは図 1. で示されています。

示されている図 1. は AFM システム、先端、ラスタ・スキャンメカニズムおよびデータ処理単位の基本的な部分です。

ラマン分光学

問題との電磁波の相互作用の調査は分光学として知られています。 共通の種類は蛍光性、赤外線およびラマンです。 ラマン実験では、単色光はサンプルに焦点を合わせ、非弾力性分散させたライトは検出されます。 ラマン分光計は提供共焦点の光学セットアップができる高い空間分解能から寄与するために光学顕微鏡と共に頻繁に使用されます。 ラマン分散セットアップの主要なコンポーネントは backscattered 放射を照らす、レーザー高性能レーザーライン拒絶フィルター集めるために、サンプルを、光学および入口スリット、回折格子および CCD のカメラが付いている分光計です。 ラマン簡単な分光計の基本的な設計図は図 2. で示されています。

ラマン分光計の図 2. 設計図。 サンプルは単色光ソースによって照らされます。 レーザー光線を拒絶するフィルターを通ることの後でそれは CCD チップに耳障りのによってそして視覚化された分散します。

図 3 は Bruker の SENTERRA ラマンの顕微鏡を使用して unfrosted 動物のクラッカーのための梱包材の交差区分された部分の層の 1 つで取られるラマンスペクトルを示します。

多プロピレンのための食品包装の材料および文献スペクトルの層の図 3. スペクトル (黒) (赤い)。

スペクトルは文献のデータベースと比較されるとき、層のがポリプロピレンであること完了することができます。 層の nanomechanical 特性を定めることは可能ではないです。 しかしサンプルが SENTERRA からピーク力叩く機能を持っているマルチモード 8 AFM に転送されるとき係数および付着のようなパラメータの定量化は可能です。 AFM からの生じる係数データは図 4. で示されています。

左の図 4. 交差区分された食品包装材料の係数のマップ。 外の層はポリプロピレンとしてラマンデータによって識別されます。 AFM データは機械特性の定量化を可能にします。 権利の横断面のプロットは外からの中の層に係数の低下を強調し、マトリックスより高い係数を表わす中間の層のある粒子を明らかにします。

次のステップ

適した AFM の先端の使用によって地形および典型的な原子力の顕微鏡検査情報と共に光学マップを得ることは可能です。 線形および非線形先端助けられた分光学のための汎用セットアップは図 5. で示されています。 適した AFMs のための例はそれぞれ透過および非透過サンプルのための Bruker の触媒そして Innova が含まれています。

線形および非線形先端助けられた分光学のための図 5. 大将セットアップ。

入射光および先端の適した組合せが選択されるとき、強い電磁場は先端の頂点で形作られます。 先端によるフィールド機能拡張が二重であることを図 6 は示します。 このフィールド機能拡張はラマン分光学がナノメーターのスケールで実行可能になされることを保障します。

先端による図 6. フィールド機能拡張。

、薬剤の特性のために重大である場合もあります製薬産業では、同じ化学成分であるしかし別の結晶格子の多形の発生は。 ラマン分光学が遂行される研究の生産性を高めることができる複数の AFM の技術の多形および共同ローカリゼーションを調査するのに使用されています。

結合されたアプローチのための解決

結合された器械を使用している間、どちらかのパフォーマンスを妥協しないことは重要です。 考慮されるべき 2 つの典型的な要因は次を含んでいます。

  1. AFM で光検出機構の騒音を保つためには AFM の低く、典型的なビーム跳ね上がりシステムは 3x10 光子に/二番目に変換する 1mW の約力の赤18 で動作します。 従って音さのような光学測定か非光学フィードバックシステムと干渉しないことは用いられなければならない、分光計の同時操作および AFM は平行をほぼ IR に許可するためには、 AFM のビーム跳ね上がりシステムの波長変わらなければなりません。
  2. 分光計システムは頻繁に騒々しい外部ファンか水冷システムによって冷却されるか、または AFM の周りで熱の量をかなり放射するかもしれない複数のレーザーを使用します。 両方の効果は否定的に AFM パフォーマンスに影響を与えることができます。 暖房のファンからの騒音はフィードバックループの不安定な状態の AFM そして結果につなぐかもしれません。 温度変化は AFM で漂うために起因し、指定視野で先端を保つためにそれを非常に堅くさせます。

ラマン顕微鏡および AFM の結合にかかわる障害は実際に別の物理的な解決を実行可能にします。 それは可能性とサンプルを転送するように設計されているシャトルの段階代わる代わる取り付けます共通の座標系にそれらを登録するためにです。 器械が両方とも同時に使用することができると同時にシャトルの段階にまた高められた生産性を可能にすることの潜在的な利点があります。

Bruker の Horiba の LabRam の工業一流次元のアイコンを統合する解決はデータの共同ローカリゼーションを達成し、両方のシステムの高性能を保障します。

次元のアイコンの段階は左の AFM ヘッドと権利のラマン目的の間でサンプルを往復します。 目的を発する赤い点はラマン測定の間にサンプルを照らすラマンレーザーです。 2 つのシステムはラマン AFM と顕微鏡の間でサンプルを往復するのにアイコンの段階の正確さの使用によって機械的につながれました。 図 7 は (a) AFM イメージ投射および (b) ラマンイメージ投射のための位置でサンプルが付いている結合された器械を示します。

ラマン顕微鏡の次元のアイコンの段階そして光学アームの図 7. 眺め。

Bruker は表面を傷つけるパフォーマンスなしでほとんど完全に AFM 操作を自動化する ScanAsyst を導入しました。 次のセクションは共同集中させた測定からのある結果を論議します。 Bruker からのもう一つの解決は benchtop NEOS AFM および同じ場所に配置された測定のための方法の間でサンプルを転送する必要性なしで扱う簡単なサンプルを可能にする図 8 で示されている SENTERRA 共焦点のラマンのシステムの統合されたデザインです。

図 8。 Bruker NEOS SENTERRA AFM ラマンの分光学システム。

SENTERRA が直立した光学顕微鏡に統合される benchtop の共焦点のラマン顕微鏡である一方、 NEOS AFM は顕微鏡で非常にコンパクト直立した光学顕微鏡に客観的な、統合された収容されます。 これはシステムが AFM およびラマンモードではたらき、サンプルに質問するのに Nomarski の差動干渉の対照のような標準光学 (DIC)技術を、利用することを可能にします。

共同集中させた AFM およびラマン測定

例 1

次のセクションは共同集中させた測定からのある結果について話します。 第 1 は金属の基板のエポキシ混合物を示します。 例えば分析はを使用して領域の選択と、規則的な brightfield の対照始まります。 ユーザーが選択する順序で AFM そしてラマンを得ることは可能です。 図 9 はそのようなシーケンスを示します。 明るフィールド光学画像は左およびサンプル地形で AFM によって得られて権利で示されているように示されています。 ユーザーの統合はシーケンスの真中でラマンマップのスペクトル領域の結果を選びました。

図 10 の 2 本のスペクトルはサンプルの異なった高さのポイントで取られました。 1004 cm の高輝度フェニル基リングの振動は-1 サンプルのより低い領域で 1014 cm で非芳香の規制用基準線と比較される強度がサンプルの-1 より厚い部分でより低い一方見つけることができます。 図 9 の真中のラマンマップはこれをはっきり示します。 サンプルの立体オリエンテーションはラマンデータと知られています。 分子オリエンテーションはサンプルの厚く、より薄い領域で異なっています。

(残された) 明るフィールド光学画像の図 9. AFM ラマン獲得シーケンス、 (中間) ラマンマップおよび (右の) AFM のサンプル地形の画像。

図 10。 図 9. のサンプルから取られるラマン 2 本のスペクトル。

例 2

多形は複数の結晶構造に存在する材料の機能です。 次の例は Yttria 安定させたジルコニアの polycrystals (Y-TZP) の調査を記述したものです。 Y-TZP はバイオメカニカルおよび審美的な特性のための歯科インプラントで頻繁に使用されます。 材料は良い粉から焼結し、正方形式で結晶することができます。 図 11 で示されている 2 本のスペクトルはサンプルの異なった位置で得られました。 赤で示されている Y-TZP にスペクトルのピークは帰因します。 青いスペクトルははっきりより多くのピークを示します。 追加ピークを隔離し、文献データとの比較した後、 ZrO の単斜晶系段階に割り当てられます2

図 11. 陶磁器のサンプルのラマンスペクトル。 赤いカーブは緑のカーブが追加段階の存在を提案する間、 Y-TZP だけ示します

組み込み DIC の光学対照および AFM の目的の助けによって、 charcteristically 別の表面の形態の 2 つのパッチを示すサンプルの領域は識別されました。 AFM を使うとちょうどスムーズか荒いようにそれらを定義することに荒さの更に量を示すことは可能です。 スムーズな領域の平均荒さは荒い領域が 15.7 nm を平均する一方、 8.7 nm です。 NEOS AFM の自動解析機能はそれ以上の分析を可能にします。 結晶粒度は正方からの単斜晶系への変更の重要な役割を担うかもしれません。 結晶粒度は AFM データから得ることができます。 図 12 はスムーズで、荒いパッチの2 83 x 83 um DIC の画像および穀物を強調する2サンプルのスムーズな領域の 10x10umAFM 画像を示します。 分析は 0.56 の平均結晶粒度を um もたらします2

図 12。 DIC および結晶粒度データ。 光学画像は (残っている) サンプルのスムーズで、荒いパッチを描写します。 スムーズな領域の AFM データは (右の) 自動化された穀物の認識および分析の後で結晶粒度の細部を提供します。

SENTERRA ラマンの顕微鏡のマップ機能によって、前に地勢的に特徴付けられたスムーズで、荒い領域を示す領域のマップを得ることは可能です。 ラマンスペクトルのマップが得られれば、 SENTERRA のソフトウェアはユーザー選ばれた領域の統合された強度を計画することを可能にします。 この例では、 180-184 cm からの領域は-1 この領域が単斜晶系段階の間だけ現在ピークを強調するように、選ばれました。 適切なカラー・スキームで強度を示すことによって、正方および単斜晶系発生のラマン二次元のマップは生成されます。 対応するマップおよび DIC の画像は図 13 で示されています。 共同集中させた AFM を使用して、ラマンおよび DIC の顕微鏡検査はナノメーターのスケールでプロセスの調査を可能にしました。

図 13。 DIC およびラマンマップ。

TERS のためのセットアップ: Innova のアイリス

TERS では、先端は先端またはサンプルの保全に影響を与えないで可能ようにサンプルにある同様に近く必要があります。 さらに、金属先端は機能拡張のために必要です。 STM はこれらの条件を統合し、複数の先端の形、連結のメカニズムおよび他の変数の影響を調査する簡単な方法を提供します。 AFM の先端を刺激し、ラマンシグナルを集める優秀な方法は先端の軸線について 60° 角度にラマン目的を置くことです。 側面の照明スキームは理論的な調査で TERS のための最も高い機能拡張の要因を示しました。 幾何学サイドのこれを使用してセットアップは図 14 で示されている Innova のアイリスで実現されます。

図 14。 Bruker Innova のスキャンのプローブ Microsope および Renishaw の inVia のラマン顕微鏡の TERS 準備ができた組合せ。 光学カップリングは作動するトラックボールによって達成されアームを見本抽出します。

開放性が原因で、 Innova は不透明なサンプルの TERS のためのプラットホームとしてそれ自身を貸します; それに非常に安定した、低雑音の閉ループ・フィードバック・システム、およびほぼ IR フィードバックのダイオードがあります。 それは便利な切換えの STM そしていろいろな AFM のモードで作動させることができます。 Innova は Renishaw の inVia の顕微鏡によって TERS、共焦点のラマンおよび共同集中させた測定を可能にするために統合されます。

AFM およびラマン顕微鏡両方の制御は AFM のコンピュータで現在のソフトウエアパッケージによって行われます。 そのようなセットアップと達成される図 15 に TERS のデータ・セットの例は示されています。 使用されるサンプルは染料が文献データ使用できるマラカイトの緑です。 示される事件レーザー力のちょうど少数のマイクロワットを使用して 0.1s 程度でもののようなスペクトルは得ることができます。

図 15。 633nm によって照らされる金の先端を使用して得られるマラカイトの緑の TERS スペクトルは表面の上のさまざまな間隔でつきます。 アイリス Innova-InVia の組合せを使用して得られるデータ。 引き込められたスペクトルと近づかれる先端とピーク強度を比較することによって、 1 つははっきりラマンモードの機能拡張を見ることができます。

結論

共同集中させた器械使用が可能であるので、研究者は nanoscale の特性および構成についての詳細情報を提供しているラマンおよびスキャンのプローブの技術のような光学分光学の技術を使用してサンプルを調査できます。 Bruker は次元のアイコンBioScope の触媒および NEOS SENTERRA システムを不透明なサンプルおよび透過サンプルに解決に与えます。 TERS はそれ以上の解像限界を押し、ナノメーターのスケールの化学情報のコレクションを可能にすると約束します。 この高度の研究のための Bruker の解決は透過および不透明なサンプルのための触媒そして Innova を、それぞれ含んでいます。

Bruker について

Bruker の Nano 表面は強いデザインおよび使い易さのための他の商用化されたシステムから際立っている原子力の顕微鏡/スキャンのプローブの顕微鏡 (AFM/SPM) の製品を提供します、間高リゾリューションを維持する。 すべての私達の器械の部品である NANOS 測定ヘッドはこと標準研究の顕微鏡の目的より大きくないセットアップコンパクトをそう作る片持梁偏向を測定するための一義的な光ファイバーの干渉計を用います。

この情報は Bruker の Nano 表面によって提供される材料から供給され、見直され、そして適応させて。

このソースのより多くの情報のために、 Bruker の Nano 表面を訪問して下さい

Date Added: Oct 19, 2011 | Updated: Jan 23, 2014

Last Update: 23. January 2014 11:15

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