تنفيذ مطيافية الأشعة تحت الحمراء المعتمدة على مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري بنمط النقر مع كشف الهتيروداين للمواد والأجهزة أشباه الموصلات

Corey M. Efaw; Suemy Batista; Nolan H. Olaso; Benjamin R. Bailey; David Estrada; Elton Graugnard; Paul H. Davis

doi:10.3791/71517

مقالة منهجية

تنفيذ مطيافية الأشعة تحت الحمراء المعتمدة على مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري بنمط النقر مع كشف الهتيروداين للمواد والأجهزة أشباه الموصلات

96 مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/71517

⸱

أغسطس 21, 2026

Corey M. Efaw¹ , Suemy Batista¹ , Nolan H. Olaso¹ , Benjamin R. Bailey¹ , David Estrada¹ , Elton Graugnard¹ , Paul H. Davis¹

¹Micron School of Materials Science & Engineering, Boise State University

في هذه المقالة

ملخص

يصف هذا البروتوكول مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري بنمط النقر والكشف المتغاير (heterodyne-detected tapping-mode photothermal atomic force microscopy–infrared spectroscopy) للتوصيف الكيميائي النانوي للمواد والأجهزة أشباه الموصلات، بما في ذلك الحصول على الأطياف بالأشعة تحت الحمراء ورسم الخرائط الكيميائية للأسطح ذات الأنماط والملوثات المرتبطة بالعمليات التصنيعية.

الملخص

يُستخدم مجهر القوة الذرية (AFM) على نطاق واسع لتوصيف الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والميكانيكية والحرارية والكهروكيميائية والكهروميكانيكية للمواد والأجهزة على مقياس النانومتر؛ ومع ذلك، فإنه لا يوفر تعريفاً كيميائياً مباشراً. وفي المقابل، يقوم مطياف الأشعة تحت الحمراء (IR) باستقصاء الروابط الكيميائية من خلال بصماتها الاهتزازية، ولكنه يقتصر تقليدياً على دقة مكانية بمقياس الميكرون بسبب الحيود البصري. يجمع مطياف الأشعة تحت الحمراء القائم على مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري (AFM–IR) بين تقنيتي AFM وIR لتمكين التوصيف الكيميائي على مقياس النانومتر من خلال قياس التمدد الضوئي الحراري الموضعي الذي يلي امتصاص الأشعة تحت الحمراء. تقدم هذه المقالة بروتوكولاً لتقنية AFM–IR الضوئية الحرارية بنمط النقر المكتشفة بالتردد المتغاير وتطبيقها على المواد والأجهزة أشباه الموصلات. يصف البروتوكول تحضير الجهاز، واختيار المسبار وضبطه، وتصوير تضاريس AFM، ومحاذاة ليزر IR وتحسينه، والحصول على أطياف IR الموضعية، والرسم الخرائطي الكيميائي لأنماط اهتزازية مختارة. تم التركيز بشكل خاص على التنفيذ العملي لتقنية AFM–IR بنمط النقر لتوصيف أشباه الموصلات و العوامل التي تؤثر على جودة البيانات، بما في ذلك اختيار المسبار، وضبط الرنين، ومحاذاة شعاع IR. وتوضح الأمثلة التمثيلية استخدام AFM–IR لتمييز تركيب المواد في الهياكل المنقوشة، وتقييم المواد المترسبة على ركائز أشباه الموصلات، وتحديد تلوث مقوم الضوء المتبقي بعد المعالجة. يتيح البروتوكول الحصول على معلومات تضاريسية وكيميائية مشتركة الموقع بدقة مكانية نانومترية، ويوضح كيف يمكن تطبيق AFM–IR على تحديات التوصيف التي تواجه أبحاث وتصنيع أشباه الموصلات. ولمساعدة المستخدمين الجدد، تم تقديم نظرة عامة موجزة عن تطوير AFM–IR ومقارنة لمصادر IR وأنماط التصوير الشائعة الاستخدام.

المقدمة

تلعب طرق التوصيف المتقدمة دوراً حيوياً في أبحاث أشباه الموصلات وتطويرها وتصنيعها. ويُستخدم مجهر القوة الذرية (AFM) على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات، حيث يمكن إجراؤه في الظروف المحيطة، أو في بيئة الغرفة النظيفة، أو داخل صندوق قفازات ذو جو خامل، أو تحت الفراغ. وتجمع أنماط AFM المتاحة بين رسم الخرائط الطوبوغرافية بمقياس النانو لمواد وأجهزة أشباه الموصلات وقياسات مشتركة الموضع كهربائية ومغناطيسية وميكانيكية وبيزو-كهربائية (أي كهروميكانيكية) وحرارية، بما في ذلك الجهد السطحي والمقاومة الكهربائية وتحديد ملفات الشوائب وقياسات التيار-الجهد (I–V) في مواقع محددة¹^,²^,³^,⁴^,⁵. ومع ذلك، وعلى الرغم من قدرته على توفير وفرة من المعلومات حول الخصائص، فإن AFM لا يوفر معلومات مباشرة عن التركيب الكيميائي. وفي المقابل، يقوم مطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء (IR) بسبر الروابط الكيميائية أو أنماط الفونون الموجودة في العينة، ولكنه يقتصر تقليدياً على دقة مكانية بمقياس الميكرون بسبب حد حيود Abbe وطول موجة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (~2.5–25 µm أو 400–4,000 cm⁻¹)⁶^,⁷^,⁸. وقد جاء تطوير تقنية AFM–IR الضوئية-الحرارية⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³، التي تدمج AFM مع مجهر ومطياف الأشعة تحت الحمراء للمجال القريب للتعريف الكيميائي بمقياس النانو، لمعالجة هذا القصور⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. ويحقق AFM–IR ذلك عن طريق تركيز مصدر أشعة تحت حمراء متوسطة (MIR) على رأس مسبار AFM نانوي (~20 nm) يكون عادةً مطلياً بالمعدن، مما يسمح بالاستحواذ المشترك الموضع على بيانات طوبوغرافيا AFM وبيانات مطيافية IR (الشكل 1)⁶^,⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹.

مخطط مجهر القوة الذرية، وعتلة، وليزر IR، وصمام ثنائي ضوئي، وإثارة بصرية.
الشكل 1. رسم توضيحي لمجهر القوة الذرية الضوئي الحراري-مطيافية الأشعة تحت الحمراء (AFM–IR). حيث يقوم شعاع أشعة تحت حمراء (IR) نبضي مركّز بإثارة تمدد ضوئي حراري موضعي لسطح العينة. ويتم الكشف عن تذبذب العتلة الناتج باستخدام ليزر انحراف AFM وصمام ثنائي ضوئي حساس للموقع، مما يتيح الحصول المتزامن على طبوغرافية العينة والمعلومات الكيميائية على مقياس النانومتر. تم اقتباس هذا الشكل بإذن من الشكل 1A في Dazzi and Prater⁷. حقوق الطبع والنشر 2017 للجمعية الكيميائية الأمريكية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

استخدمت التطبيقات الأولية لتقنية AFM–IR مصدر الأشعة تحت الحمراء (IR) واسع النطاق، وأحياناً بالاقتران مع مسبار متخصص حساس حرارياً بدلاً من عارضة AFM القياسية²²^,²³. ولاحقاً، اعتمد الباحثون مصادر IR نبضية²⁴، والتي توفر قدرات ذروية أعلى، وفي حالة معدلات التكرار القابلة للضبط، تتيح تعزيز الرنين (RE) لاستجابة العارضة تجاه الإثارة الضوئية الحرارية للعينة¹¹^,¹⁵^,²⁵^,²⁶، مما أدى إلى حساسية كشف تقترب من مستوى الطبقة الأحادية²¹. وقد استخدم أول نظام AFM–IR أظهر دقة IR نانومترية ليزر الإلكترونات الحرة وإضاءة بالموجات المتلاشية من الأسفل إلى الأعلى عبر ركيزة نافذة للأشعة تحت الحمراء⁹. وبعد ذلك بوقت قصير، تم تقديم الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل²⁷ باستخدام مذبذب بارامتري بصري (OPO) قابل للضبط الطولي²⁴^,²⁸ أو مصدر ليزر مكتبي، مثل ليزر الشلال الكمي (QCL)¹¹^,²¹¹⁰. ويشكل هذا التكوين أساس معظم أنظمة AFM–IR التجارية الحالية لأن الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل تبسط تحضير العينة من خلال إلغاء الحاجة إلى ركيزة نافذة للأشعة تحت الحمراء وتسمح بتحليل عينات أكثر سمكاً⁷^,⁸^,¹⁵^,¹⁶. وقد مكنت التطورات اللاحقة من الحصول على أطياف IR في مواقع مختارة على سطح العينة ورسم خرائط كيميائية لأنماط اهتزازية محددة⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁵^,²⁴^,²⁹^,³⁰^,³¹^,³². ونتيجة لذلك، طُبقت تقنية AFM–IR في مجموعة واسعة من المجالات، بما في ذلك البيولوجيا وتوصيل الأدوية⁶^,²⁵^,³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶^,³⁷، وتوصيف البوليمرات⁶^,¹²^,²⁶^,³⁸^,³⁹، وتحديد الجسيمات النانوية²⁶^,⁴⁰^,⁴¹^,⁴²^,⁴³، وأبحاث أشباه الموصلات⁷^,⁴⁴^,⁴⁵^,⁴⁶^,⁴⁷^,⁴⁸^,⁴⁹، مع استمرار الجهود الرامية إلى توسيع نطاق الطول الموجي المتاح، وبالتالي زيادة تنوع الأنماط الاهتزازية وأنظمة المواد التي يمكن استقصاؤها⁸^,²⁸^,⁵⁰.

تقوم التقنيات ذات الصلة، مثل المجهر الضوئي القريب من المجال من نوع التشتت بالأشعة تحت الحمراء (IR s-SNOM)¹⁴^,⁵¹^,⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵^,⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹^,⁶⁰^,⁶¹ وتشتت رامان المعزز بالطرف (TERS)⁶²^,⁶³^,⁶⁴^,⁶⁵^,⁶⁶، بالكشف عن الضوء المشتت مرنياً أو غير مرن، على التوالي. في المقابل، يستخدم AFM–IR عتلة مسبار AFM لنقل وتضخيم التمدد الضوئي الحراري لسطح العينة عقب الإثارة بالأشعة تحت الحمراء (IR)، وذلك من خلال عامل الجودة (Q factor) لرنين العتلة⁶^,⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,³¹^,⁶⁷. ويتم الكشف عن تذبذب المسبار الناتج عن طريق قياس حركة ليزر انحراف AFM، المنعكس من ظهر العتلة، على الكاشف الحساس للموقع (الشكل 1). ونظراً لأن مسار الكشف هذا يُستخدم أيضاً لقياس التغيرات في تضاريس العينة، فإن AFM–IR يتطلب طريقة لفصل استجابات التضاريس عن استجابات امتصاص الأشعة تحت الحمراء. وقد تم تحقيق هذا الفصل في البداية باستخدام AFM بنمط التلامس. فعقب إثارة العينة بنبضة IR، تتلاشى استجابة المسبار للتمدد الضوئي الحراري للعينة بسرعة على مقياس زمني يتراوح من النانو ثانية إلى الميكرو ثانية، وهو أسرع بكثير من زمن بقاء المسبار الفعلي بمقياس الميلي ثانية المرتبط بالحصول على بيانات AFM بمعدلات تبلغ بضع كيلو هرتز⁶^,⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁵⁰^,⁶⁷. ويمكن ترشيح الإشارة الضوئية المتغيرة زمنياً الناتجة، أو ما يعرف بالتخميد (ringdown)، عند كل نقطة بيانات (أي بكسل في صورة AFM) من خلال مرشح تمرير نطاق ترددي متمركز حول تردد رنين تلامس العتلة، ثم إجراء تحويل فوريه لها. وتكون السعة الناتجة متناسبة مع الاستجابة الضوئية الحرارية الموضعية للعينة (الشكل 2A، 2B)⁶^,⁷^,⁸^,¹⁵^,³¹^,⁶⁷^,⁶⁸. ومع ذلك، فإن الاختلافات في صلابة العينة يمكن أن تؤدي إلى إزاحة تردد رنين تلامس المسبار، مما قد يتسبب في تداخل إشارة التمدد الضوئي الحراري مع التغيرات في السلوك الميكانيكي لسطح العينة. ولتحسين حساسية AFM–IR بنمط التلامس، تم تطوير AFM–IR المعزز بالرنين (RE). وفي هذا النمط، يتم ضبط معدل تكرار نبضة الليزر ليتوافق مع تردد رنين تلامس المسبار، مما يؤدي إلى تضخيم متوافق في الطور للرنين الميكانيكي للعتلة وتحويل تخميد الإشارة إلى تذبذب بموجة مستمرة (الشكل 2C، 2D)⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,²¹. ويؤدي هذا النهج إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S:N) بشكل كبير بما يتناسب مع عامل الجودة (Q factor) لرنين العتلة⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²¹. ويسمح دمج حلقة مغلقة الطور (PLL) بمراقبة رنين العتلة باستمرار ومطابقة معدل تكرار نبضة الليزر مع تردد الرنين المتغير أثناء رسم خريطة لاستجابة العينة عند عدد موجي محدد للأشعة تحت الحمراء. ويساعد ذلك في ضمان بقاء إشارة RE AFM–IR المقاسة متناسبة مع معامل امتصاص الأشعة تحت الحمراء للنمط الاهتزازي، وبغض النظر عن الاختلافات في الخواص الميكانيكية، وبالتالي تردد رنين التلامس، عبر سطح العينة⁸^,¹⁵^,¹⁶^,³⁷^,⁶⁹.

رسوم بيانية لإشارات التذبذب ومخططات تحليل FFT لتحليل النطاق الترددي والزمني.
الشكل 2. استجابات نموذجية في النطاق الزمني والنطاق الترددي تم الحصول عليها باستخدام أنماط تشغيل مختلفة لـ AFM–IR. (A) استجابة خمود ذراع الرافعة في النطاق الزمني عقب التحفيز الضوئي الحراري لعينة أثناء AFM–IR بنمط التلامس. (B) تحويل فوريه السريع (FFT) لإشارة الخمود في (a)، والتي تظهر أنماط رنين تلامس متعددة. (C) استجابة في النطاق الزمني تم الحصول عليها أثناء AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين باستخدام ذراع رافعة مرنة (k = 0.3 N/m). (D) تحويل FFT للإشارة المعززة بالرنين يوضح تضخيماً عند رنين التلامس المختار (365 kHz)، وهو ما يتوافق مع معدل تكرار نبض الليزر. القمم عند 730 و1095 و1460 kHz تقريباً تتوافق مع التوافقيات من رتب أعلى. (E) إشارة AFM–IR بنمط النقر في النطاق الزمني تم الحصول عليها باستخدام ذراع رافعة صلبة (k = 40 N/m). (F) تحويل FFT لاستجابة AFM–IR بنمط النقر. تم الحصول على تضاريس السطح باستخدام رنين التشغيل عند 250 kHz تقريباً، بينما تم رصد الاستجابة الضوئية الحرارية عند 1.55 MHz تقريباً باستخدام معدل تكرار نبضات غير متجانسة يتوافق مع تردد الفرق (f₂ − f₁) البالغ 1.3 MHz تقريباً. اللوحات (A, B) مقتبسة بإذن من الشكل 3 في Mathurin et al.¹⁶ حقوق الطبع والنشر 2022 AIP Publishing. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

كان التقدم الرئيسي التالي في تقنية AFM–IR هو تطبيق الكشف غير المتجانس (heterodyne detection)⁷⁰، والذي أتاح الجمع بين وضع النقر (tapping-mode) في مجهر القوة الذرية (AFM) وتقنية AFM–IR لتصوير العينات اللينة، أو اللزجة، أو ضعيفة الالتصاق⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁵^,²⁶^,³⁷^,⁷¹. في وضع النقر، والذي يُشار إليه أيضاً بوضع التلامس المتقطع، يتم تذبذب المسبار عند تردد رنين العارضة (cantilever resonance frequency) أو بالقرب منه لإحداث تلامس متقطع مع سطح العينة، مما يؤدي إلى تقليل القوى الجانبية وتقليل احتمالية تلف العينة و/أو المسبار. وبالمقارنة مع التشغيل في وضع التلامس، فإن وضع النقر يعد مفيداً بشكل خاص للعينات اللينة ميكانيكياً، أو ضعيفة الالتصاق، أو القابلة للتعديل السطحي أثناء التصوير⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁵^,²⁶^,³⁷^,⁷¹. في تقنية AFM–IR بوضع النقر، يتم ضبط معدل تكرار نبضات الليزر ليكون مساوياً للفرق بين ترددي رنين للعارضة، بحيث يكون f_laser = Δf = f₂ − f₁. ويُستخدم أحد ترددي الرنين للحصول على تضاريس العينة (f_tap)، بينما يراقب تردد الرنين الثاني الاستجابة الضوئية الحرارية (f_demod) الناشئة عن امتصاص الأشعة تحت الحمراء (الشكل 2E، 2F)⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷¹^,⁷². وبشكل مشابه لتقنية AFM–IR في وضع التلامس المعزز بالرنين، يمكن استخدام حلقة مغلقة لضبط الطور (PLL) للحفاظ على التزامن بين معدل تكرار نبضات الليزر وΔf أثناء المسح، مما يعوض الإزاحات الصغيرة في ترددات رنين العارضة الناتجة عن التغيرات في جهد التفاعل بين الرأس والعينة عبر السطح⁸^,¹⁶. تعتمد استجابة العارضة (سعة التذبذب، Z) في تقنية AFM–IR بوضع النقر المكتشف غير المتجانس على f_tap، وf_demod، وΔf، وعامل الجودة (Q factor) لرنين فك التعديل المختار⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹:

المعادلة Z ∝ Δf/f_demod² × f_tap × Q_demod للنمذجة والتحليل العلمي.

وبناءً على ذلك، عندما تكون العوامل الأخرى قابلة للمقارنة (على سبيل المثال، عوامل جودة Q متماثلة لكل من f₁ و f₂)، يمكن تحقيق تحسين في نسبة الإشارة إلى الضجيج (S:N) عن طريق استخدام مسبار أكثر صلابة، والتشغيل في وضع النقر (tapping mode) عند تردد الرنين الأعلى (أي f_tap = f₂)، وفك تعديل الاستجابة الضوئية الحرارية عند تردد الرنين الأدنى (أي f_demod = f₁). وبالإضافة إلى تمكين تحليل العينات اللينة أو اللزجة أو ضعيفة الالتصاق، يوفر تقنية AFM–IR في وضع النقر حساسية منخفضة للتغيرات في الخواص الميكانيكية للعينة، وتحسناً في الدقة الجانبية بمقدار ضعفين تقريباً (~10 nm مقابل ~20 nm)، وتحسناً في حساسية السطح بمقدار 10 إلى 20 ضعفاً تقريباً مقارنة بتطبيقات وضع التلامس⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹.

بالتعاون مع شركاء أكاديميين وصناعيين، استُخدم مجهر القوة الذرية بالأشعة تحت الحمراء (AFM–IR) بنمط النقر لتقييم عمليات الترسيب وإزالة المواد على رقائق منقوشة⁴⁴^,⁴⁵، وتحديد مواقع النوى غير المرغوب فيها⁴⁴، والكشف عن بقايا المقاوم الضوئي⁴⁵، وتحسين ظروف المعالجة لمنصات الاتصال في أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة⁴⁵. يصف البروتوكول المقدم هنا تقنية AFM–IR بنمط النقر المكتشفة كهرومغناطيسياً (heterodyne-detected)، ويستعرض تطبيقها للحصول على أطياف الأشعة تحت الحمراء النانوية في مواقع مختارة، وكذلك رسم خرائط للتوزيع المكاني للأنواع الكيميائية من خلال التصوير بنمط الاهتزاز عند أعداد موجية ثابتة للأشعة تحت الحمراء. ورغم أن تقنية AFM–IR يمكنها أيضاً توفير معلومات متعلقة بالتوجيه الجزيئي من خلال القياسات المعتمدة على الاستقطاب⁸^,¹⁶^,⁷³^,⁷⁴^,⁷⁵^,⁷⁶، إلا أن هذه التطبيقات تخرج عن نطاق البروتوكول الحالي والأمثلة التمثيلية المقدمة.

البروتوكول

لا يتضمن هذا البروتوكول استخدام خطوط خلوية حيوانية أو بشرية أو أشخاص خاضعين للتجارب. يرجى ملاحظة أنه على الرغم من مناقشة أنماط تنفيذ أخرى لتقنية AFM–IR، فإن هذا البروتوكول مخصص تحديداً لتقنية AFM–IR الضوئية الحرارية بنمط النقر المكتشفة بالتردد المتغاير (heterodyne-detected tapping-mode photothermal AFM–IR).

1. إعداد التجربة

ملاحظة: صُمم بروتوكول مطيافية الأشعة تحت الحمراء المعتمدة على مجهر القوة الذرية بوضع النقر (tapping-mode AFM–IR) ليكون عاماً قدر الإمكان؛ ومع ذلك، فإن الإعداد والتشغيل سيعتمدان على الشركة المصنعة وطراز النظام المستخدم، بما في ذلك المكونات المادية المرتبطة به (مثل مصدر أو مصادر الأشعة تحت الحمراء، ومنصة مجهر القوة الذرية، والأجهزة ذات الصلة) والبرامج. يُرجى الرجوع إلى الشكل 3 لمخطط كتلي تخطيطي عام لنظام AFM-IR نموذجي. والنظام المستخدم في هذه الدراسة مدرج في الـ جدول المواد.

مخطط مطيافية AFM-IR يوضح مصدر الليزر، وبصريات المحاذاة، وحلقة التغذية الراجعة، وإعداد الثنائي الضوئي.
الشكل 3. مخطط كتلي تخطيطي عام لنظام AFM–IR نموذجي. يوضح المخطط مصدر ليزر الأشعة تحت الحمراء، وليزر المحاذاة المرئي، وبصريات المحاذاة، والغالق، وبصريات التركيز، ومجموعة مسبار AFM، وكاشف الثنائي الضوئي، ومضخم القفل (lock-in amplifier)، ووحدة تحكم AFM، ومنصة العينة، وغلاف التطهير البيئي المستخدم أثناء قياسات AFM–IR. الاختصارات: AFM = مجهر القوة الذرية؛ MIR = الأشعة تحت الحمراء المتوسطة؛ OAP = عاكس مكافئ خارج المحور. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

ابدأ تدفق غاز التطهير عبر مسار شعاع الأشعة تحت الحمراء (IR) وغلاف الجهاز بمعدل 4 لتر/دقيقة تقريبًا. استخدم النيتروجين (N₂) فائق النقاء (99.999%) كغاز تطهير عند توفره، أو الهواء الجاف المضغوط في حال عدم توفر النيتروجين.⁸.
ملاحظة: تعمل عملية التطهير على إزاحة الهيدروجين الجوي H₂O و CO₂ التي تمتص في المنطقة الطيفية للأشعة تحت الحمراء. ويؤدي الحفاظ على معدل تدفق منخفض لغاز التطهير أثناء إعداد الجهاز إلى تقليل وقت التطهير المطلوب مباشرة قبل الحصول على البيانات (انظر الخطوة 1.25).
راجع دليل مستخدم الليزر للتأكد من تكوين سائل التبريد المطلوب لمبرد الليزر.
ملاحظة: يعمل مصدر المذبذب البارامتري البصري (OPO) عريض النطاق المستخدم في هذه الدراسة (APE Carmina) عند 22°C باستخدام خليط بنسبة 3:1 من الماء المقطر ومركز Innovatek Protect IP. يعمل ليزر الشلال الكمي MIRcat QCL عند 21°C باستخدام كحول إيزوبروبيل بتركيز 10% في ماء مقطر. تبلغ سعة كلا المبردين حوالي 450 مل، وبمعدل تدفق أقصى يصل إلى 4 لتر/دقيقة، واستقرار اسمي في درجة الحرارة يبلغ ±0.1°Cأثناء قياسات مجهر القوة الذرية بالأشعة تحت الحمراء (AFM–IR)، يعمل كلا المبردين عند قدرة تشغيل للمضخة بنسبة 20%، ويحققان عادةً استقراراً في درجة الحرارة بمقدار ±0.01°C إلى ±0.03°C من أكثر من 15 دقيقة إلى ساعة واحدة.
تحقق من دوران سائل التبريد المناسب قبل تشغيل مصدر الأشعة تحت الحمراء (IR).
ملاحظة: غالباً ما تتطلب الليزرات مبردات (chillers) لإزالة الحرارة الزائدة والحفاظ على درجة حرارة تشغيل مستقرة، وذلك لضمان استقرار قدرة الخرج، والطول الموجي، وجودة النمط، وتوجيه الحزمة. وتساعد سوائل تبريد المبردات في الحفاظ على العمر الافتراضي للمكونات عن طريق منع التآكل و/أو نمو الطحالب.
قم بتشغيل وحدة تزويد الطاقة لليزر، ووحدة التحكم في مجهر القوة الذرية (AFM)، ومصدر (أو مصادر) الأشعة تحت الحمراء (IR)، والأجهزة المرتبطة بها (مثل مبردات الليزر ومضخمات القفل المرجعي).
اترك جميع الأجهزة لتسخن وفقاً لتوصيات الشركة المصنعة (عادةً من 15 إلى 60 دقيقة).
قم بتشغيل برنامج التحكم في مجهر القوة الذرية Analysis Studio v3.17.
افتح قائمة تكوين الأجهزة (Hardware Configuration) من القائمة المنسدلة للإعداد (Setup).
اختر تهيئة الجهاز المناسبة لنظام AFM–IR من القائمة المنسدلة "Active Config" لتحميل ملف تهيئة النظام الصحيح.
انقر على أيقونة التهيئة (Initialize)، وتأكد من وجود اتصال بين مصدر (مصادر) الأشعة تحت الحمراء (IR)، ووحدة تحكم مجهر القوة الذرية (AFM controller)، ومضخم القفل (lock-in amplifier) أو المضخمات، وذلك من خلال التحقق من عدم ظهور أي رسائل خطأ عند بدء التشغيل.
ملاحظة: قد يتطلب التكوين غير الصحيح الحصول على مساعدة من مورد الجهاز.
اختر التكوين التجريبي المناسب للقياس المخطط له (على سبيل المثال، وضع Tapping AFM–IR) من القائمة المنسدلة في نافذة AFM Scan.
حدد أيقونة New (جديد) في شريط أدوات Analysis Studio لإنشاء مشروع جديد يتم فيه حفظ جميع البيانات. استخدم خيار Save As (حفظ باسم) في قائمة File (ملف) لتحديد اسم الملف المطلوب للمشروع.
اختر مسبار AFM–IR متوافقاً مع العينة، وهندسة الإضاءة، ووضع التصوير. استخدم مسبار AFM–IR من نوع TnIR-D-10 المطلي بالذهب وذي الصلابة العالية والمخصص لوضع النقر (tapping-mode) لمعظم قياسات AFM–IR بوضع النقر التي يتم كشفها بطريقة heterodyne على نظام Bruker nanoIR3 AFM–IR.
ملاحظة: يتميز مسبار AFM–IR بنمط النقر عالي الصلابة بنصف قطر رأس اسمي يبلغ 20 نانومتر، وثابت نابض قدره 42 نيوتن/متر، وتردد رنين يبلغ 320 كيلوهرتز. ويمكن استخدام مسبار TnIR-A-10 المطلي بالذهب وبنمط النقر منخفض الصلابة لـ AFM–IR مع العينات الأكثر ليونة عندما تكون هناك حاجة إلى صلابة أقل للعتلة. ويتميز مسبار AFM–IR بنمط النقر منخفض الصلابة بنصف قطر رأس اسمي يبلغ 20 نانومتر، وثابت نابض قدره 3 نيوتن/متر، وتردد رنين يبلغ 75 كيلوهرتز. راجع قسم المناقشة لمزيد من التفاصيل حول اختيار المسبار المناسب والاعتبارات ذات الصلة.
قم بتركيب المسبار المختار على رأس مجهر القوة الذرية (AFM) (الشكل 4-أ، 4B).
ملاحظة: تحتوي مجسات AFM-IR المستخدمة في الإضاءة من الأعلى عادةً على طبقة رقيقة من الذهب (Au) أو البلاتين (Pt) على عارضة التوازن والركيزة. تعمل هذه الطبقة على تقليل امتصاص المجس للأشعة تحت الحمراء، وتنتج استجابة طيفية أكثر تسطحاً، وتعزز المجال الكهربائي المحلي عند قمة المجس من خلال تأثير مانعة الصواعق، مما يزيد من التمركز والتضخيم المستقل عن الطول الموجي للإشارة الضوئية الحرارية.⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷⁷^,⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹.
ثبّت العينة على قرص عينات مغناطيسي متوافق مع حامل عينات نظام AFM–IR، مع تأمين العينة باستخدام شريط كربوني مزدوج الجوانب، أو معجون فضي، أو طلاء أظافر، أو غراء فائق، أو إيبوكسي.
ملاحظة: استخدم مادة لاصقة موصلة، مثل الشريط الكربوني أو معجون الفضة، في حال سيتم إجراء أنماط مجهر القوة الذرية (AFM) الكهربائية أو توصيف لاحق باستخدام المجهر الإلكتروني.
حدد أيقونة التحميل (Load) في نافذة مسبار مجهر القوة الذرية (AFM Probe) لفتح نافذة معالج تحميل السن (Load Tip Wizard).
تحقق من أن المسبار ومنطقة العينة ذات الأهمية مرئيان ضمن المجال البصري (الشكل 4ج، رباعي الأبعاد).
ملاحظة: يمكن تثبيت عينات يصل قطرها إلى 25 مم تقريبًا على حامل العينات؛ ومع ذلك، فإن المنطقة المركزية التي تبلغ أبعادها 6 مم × 8 مم هي فقط المتاحة لقياسات AFM–IR. ستعتمد المنطقة المراد دراستها على ما يرغب المستخدم في فحصه باستخدام AFM–IR، ولكن يجب استخدام علامات بصرية بالتزامن مع مخططات العينة لتمييز الموقع وتحديده.
اضبط التركيز البصري باستخدام السهمين للأعلى/للأسفل في نافذة "التركيز على المسبار" (Focus on Probe) حتى تظهر حواف العارضة الأقرب إلى قمة المسبار بوضوح، ثم انقر فوق "التالي" (Next).
ضع علامة التقاطع مباشرة فوق طرف المسبار عند الطرف القاصي للعتبة في نافذة Center Crosshairs، مما سيؤدي إلى توسيط طرف المسبار في مجال الرؤية البصري، ثم انقر على Next.
اضبط التركيز البصري باستخدام السهمين للأعلى وللأسفل في نافذة "التركيز على العينة" (Focus on Sample) حتى تظهر معالم سطح العينة بوضوح.
استخدم أسهم التحكم في منصة توجيه العينة XY وعرض المجهر الضوئي للتنقل عبر العينة حتى تصبح المنطقة المراد دراستها تحت طرف المسبار، ثم انقر فوق "التالي".
اضبط مسافة التباعد بحيث لا تقل عن 100 µm واختر "النهج فقط" (Approach Only).
ملاحظة: بعد النقر على "Approach Only" (الاقتراب فقط)، سيقترب الرأس إلى مسافة الـ "Standoff" (المسافة الفاصلة) من سطح العينة، وستغلق نافذة "Load Tip Wizard" (معالج تحميل الرأس) تلقائياً.
استخدم مقابض التحكم في محاذاة ليزر مجهر القوة الذرية (AFM) لضبط موضع ليزر مجهر القوة الذرية على الجزء الخلفي من العارضة (cantilever) مباشرة فوق طرف المسبار، وبحيث يتم الوصول إلى أقصى جهد لمجموع الليزر (الشكل 4ج).
1. قم بتوسيط الليزر جانبياً على العارضة.
2. ضَع الليزر بالقرب من قمة الرافعة فوق طرف المسبار.
3. اضبط موضع الليزر حتى يتم الوصول إلى أقصى جهد لمجموع الليزر.
  ملاحظة: تحقق من أن جهد مجموع الليزر يتجاوز 5 فولت عند استخدام مسبار AFM–IR بوضع النقر (tapping-mode) عالي الصلابة. إذا لم يكن الأمر كذلك، فقد يكون المسبار تالفاً أو غير مثبت بشكل صحيح.
اضبط مقابض التحكم في محاذاة الكاشف الضوئي لتوسيط شعاع الليزر المنعكس على الثنائي الضوئي الحساس للموضع.
1. اضبط المحاذاة حتى تصبح إشارة الانحراف ضمن نطاق ±0.1 فولت من الصفر.
2. تحقق من أن قراءة الانحراف (Deflection) تظهر مؤشراً أخضر يتوسط حقل القراءة (الشكل 4E).
أغلق غطاء الجهاز.
ارفع معدل تدفق غاز التطهير إلى 7 لتر/دقيقة تقريبًا، واستمر في عملية التطهير حتى تنخفض رطوبة الغلاف إلى أقل من 8%.
قلل معدل تدفق غاز التطهير إلى 4 لتر/دقيقة تقريبًا للحفاظ على مستوى الرطوبة المنخفض طوال القياسات اللاحقة.
ملاحظة: يؤدي تقليل معدل تدفق غاز التطهير إلى تقليل الاضطراب الذي قد يتسبب في ظهور ضوضاء في تصوير مجهر القوة الذرية (AFM). وبوجه عام، تكون العينات التي تظهر امتصاصاً أقوى للأشعة تحت الحمراء (IR) أقل حساسية للرطوبة المتبقية. وفي بعض الظروف، قد تكون مستويات الرطوبة التي تصل إلى حوالي 10% مقبولة، مما يسمح بتقليل أوقات التطهير وخفض استهلاك الغاز مع الحد من الاضطراب.

مخطط لإعداد مجهر القوة الذرية ومحاذاة الليزر مع رسوم بيانية للانحراف لتحليل السطح.
الشكل 4. إعداد الجهاز، ومحاذاة المسبار، وضبط الكابول لنظام nanoIR3-s AFM–IR الذي يعمل ببرنامج Analysis Studio v3.17. (A) تجميعة رأس AFM التي تظهر مقبض رأس AFM، ومقبض المنزلق، ومكونات تحديد موضع الرأس. (B) حامل المسبار الذي يحتوي على مسبار TnIR-D-10 AFM–IR مثبت مسبقاً. (C) عناصر تحكم المحاذاة المستخدمة لتوجيه ليزر انحراف AFM على الكابول وتركيز الشعاع المنعكس على الصمام الثنائي الضوئي الحساس للموضع. (D) صورة بصرية للعينة ومسبار AFM قبل محاذاة الليزر، تظهر إشارة مجموع ليزر منخفضة. (E) صورة بصرية بعد محاذاة الليزر، تظهر إشارة مجموع ليزر أكبر من 5 V وانحرافاً يقترب من الصفر في الكابول. (F) منحنى ضبط نموذجي لتردد الرنين الأول (f₁) لمسبار TnIR-D-10 عند 240 kHz تقريباً، والمستخدم في الحصول على التضاريس (Drive Mode). (G) منحنى ضبط نموذجي لرنين التردد الأعلى (f₂) عند 1550 kHz تقريباً، والمستخدم في الكشف الضوئي الحراري (Detection Mode). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

2. ضبط المسبار

قم بإجراء عملية ضبط ثنائي للمجس (cantilever tune) لتحديد ترددات رنين المجس التي ستُستخدم في نمط التشغيل (Drive Mode) ونمط الكشف (Detection Mode) (الشكل 4F، 4G).
ملاحظة: سيضمن اتباع الإجراء أدناه أن يؤدي ضبط المجس إلى إنتاج قمم رنين منفصلة جيداً لكل من رنين التضاريس (نمط التشغيل) ورنين الكشف بالأشعة تحت الحمراء (نمط الكشف).
1. تأكد من اختيار نمط Tapping AFM–IR من القائمة المنسدلة في نافذة AFM Scan.
2. انقر فوق أيقونة الشوكة الرنانة لفتح نافذة Cantilever Tune.
قم بإجراء ضبط المجس لنمط التشغيل (Drive Mode).
1. في لوحة ضبط Drive Mode، حدد نطاق مسح ترددي يبلغ حوالي 100 kHz حول تردد الرنين الاسمي للمجس (الشكل 4F)، ثم انقر فوق سهم البدء الأخضر.
  ملاحظة: يُدرج تردد الرنين الاسمي عادةً على العلبة التي يأتي فيها مجس AFM.
2. حدد قمة الرنين التي ستُستخدم لتصوير التضاريس بنمط النقر (tapping-mode). اختر قمة بارزة ومنعزلة ذات شكل غاوسي بدون كتف ملحوظ. وعادة ما تكون القمة ذات السعة الأعلى في نطاق المسح الترددي التي تستوفي هذه المعايير هي الأفضل.
3. قلل نطاق المسح إلى حوالي 10 kHz وقم بتدقيق تردد الرنين المختار حتى يتم تحليل تردد القمة بوضوح.
  ملاحظة: اختر تردداً لنمط Drive Mode يكون أقل قليلاً من قمة الرنين بحيث يقلل سعة التذبذب في الفضاء الحر بنسبة 5% تقريباً بالنسبة لسعة القمة (الشكل 4F). يساعد هذا الإزاحة في تعويض تفاعلات فان دير فالس الجاذبة أثناء الاقتراب ويعزز التشغيل ضمن نظام التفاعل الطارد أثناء التصوير بنمط النقر.
4. اضبط قوة Drive Mode Strength حتى يتم الوصول إلى سعة قصوى تبلغ حوالي 9 V.
  ملاحظة: تتراوح قوة Drive Mode Strength عادةً بين 0.2%–5%.
قم بإجراء ضبط المجس لنمط الكشف (Detection Mode).
1. في لوحة ضبط Detection Mode، اضبط التردد المركزي ليكون حوالي ستة أضعاف تردد نمط Drive Mode.
2. اضبط نطاق مسح Detection Mode على حوالي 500 kHz (الشكل 4G)، ثم انقر فوق سهم البدء الأخضر.
3. اختر أبرز قمة رنين منعزلة ذات شكل غاوسي في طيف تردد Detection Mode بدون كتف ملحوظ. وعادة ما تكون القمة ذات السعة الأعلى في نطاق المسح الترددي التي تستوفي هذه المعايير هي الأفضل.
4. قلل نطاق المسح إلى حوالي 10–20 kHz وقم بتدقيق تردد Detection Mode المختار حتى يتم تحليل قمة الرنين بوضوح.
5. اضبط قوة Detection Mode Strength حتى يتم الوصول إلى سعة قصوى تبلغ حوالي 9 V.
  ملاحظة: تتراوح قوة Detection Mode Strength عادةً بين 5%–50%.
6. اضبط تردد Detection Mode على السعة القصوى للرنين المختار.
  ملاحظة: قد يؤثر اختيار رنين نمط التشغيل ونمط الكشف في تقنية AFM–IR بنمط النقر المكتشفة بالهترودين (heterodyne-detected) بشكل كبير على استجابة الأشعة تحت الحمراء المقاسة أثناء التصوير والحصول على الأطياف. يعتمد الخيار الأمثل على كل من قمم رنين مجس AFM وقدرات أو قيود أجهزة الجهاز، بما في ذلك أقصى تردد لـ dither-piezo وعرض نطاق المتحكم. في هذا البروتوكول وفي الشكل 4F، 4G، تم استخدام f₁ للحصول على التضاريس (Drive Mode)، واستخدام f₂ للكشف بالأشعة تحت الحمراء (Detection Mode). راجع قسم المناقشة للاطلاع على الاعتبارات الخاصة باختيار رنين التشغيل والكشف، بما في ذلك الحالات التي قد يكون فيها تبديل ترتيب ترددي نمط التشغيل ونمط الكشف مفضلاً.
انقر فوق أيقونة علامة الصح الخضراء "Accept Cantilever Tune" لحفظ إعدادات نمط التشغيل ونمط الكشف.

3. التصوير بمجهر القوة الذرية (الطبوغرافيا)

انقر فوق أيقونة Engage الخضراء في نافذة AFM Probe لتفعيل المسبار على سطح العينة.
تنبيه: راقب بث الفيديو المباشر في نافذة Microscope طوال عملية التفعيل. اسحب المسبار فوراً إذا انزاحت بقعة الليزر عن ذراع المسبار (cantilever)، أو إذا انثنى الذراع بشكل مفرط (انحراف الكاشف الضوئي ≥ ~5 V)، أو إذا انكسر الذراع أثناء التفعيل.
تحقق من نجاح تفعيل المسبار من خلال التأكد من أن إشارة Laser Sum تظل قريبة من قيمتها في الفضاء الحر، وأن التقلبات في مراقب Z Position تظل أقل من ±0.2 µm (أي أن ضوء مؤشر شريط حالة Z Position يتذبذب بمقدار موضع واحد أو أقل بالزيادة أو النقصان).
قم بتعطيل التصوير بالأشعة تحت الحمراء (IR imaging) بعد نجاح تفعيل المسبار عن طريق إلغاء تحديد مربع الاختيار IR Imaging Enabled في نافذة NanoIR.
ابدأ مسح AFM عن طريق اختيار أيقونة Scan في نافذة AFM Scan.
تأكد من أن التغذية الراجعة (Feedback) في وضع التشغيل (On) عبر زر الخيار.
اضبط نقطة تعيين السعة (amplitude Setpoint) لوضع النقر (tapping-mode) لتكون أقل من 8 V.
ملاحظة: التشغيل بنقطة تعيين سعة تبلغ حوالي 70%–90% من سعة الفضاء الحر (حوالي 6–8 V لسعة الفضاء الحر في وضع Drive Mode بقيمة 9 V كما في الخطوة 2.2.4) يوفر عموماً تتبعاً تضاريسياً جيداً. قد تؤدي نقاط التعيين المنخفضة إلى تحسين تتبع الميزات ذات نسبة العرض إلى الارتفاع العالية، ولكنها تزيد من خطر إتلاف المسبار و/أو العينة.
قم بتحسين كسب التغذية الراجعة (feedback gains) عن طريق ضبط القيم لتحقيق أفضل تداخل بين خط المسح (trace) وخط العودة (retrace) – زد قيم الكسب حتى يصبح ضجيج التغذية الراجعة واضحاً في صورة التضاريس و/أو قناة الخطأ، ثم قلل الكسب حتى يختفي الضجيج المتزايد.
ملاحظة: قيم الكسب النموذجية هي 3–5 للكسب التكاملي I (Integral Gain) و 5–7 للكسب التناسبي P (Proportional Gain).
اختر حجم مسح (العرض والارتفاع) مناسباً للميزة (أو الميزات) المستهدفة.
ملاحظة: استُخدمت أحجام مسح تتراوح بين 5–20 µm في هذا العمل. الحد الأقصى لحجم مسح XY لنظام AFM–IR هو 50 µm. اختر حجم مسح يشمل الميزات المستهدفة بالكامل مع توفير دقة بكسل كافية لتمييز تلك الميزات ضمن الحدود التي يفرضها التلفيف الناتج عن نصف قطر رأس المسبار (tip-radius convolution).
اختر معدل مسح يوفر تداخلاً مقبولاً بين خط المسح وخط العودة مع الحفاظ على أوقات استحواذ عملية.
ملاحظة: كلما زاد التباعد بين خطي المسح والعودة، قل دقة تتبع المسبار لتضاريس العينة. وبوجه عام، يزداد هذا التباعد مع معدلات المسح الأسرع. ومع ذلك، كلما كان مسح المسبار أبطأ، استغرق وقتاً أطول للحصول على البيانات. عادةً ما توفر معدلات مسح تتراوح بين 0.5–2 Hz توازناً مناسباً بين سرعة الاستحواذ والضجيج. وبالنسبة لأحجام المسح النموذجية 5–20 µm، فإن هذا يقابل سرعات مسبار تبلغ حوالي 10–20 µm/s. تُحسب سرعة المسبار بضرب ضعف حجم المسح (لحساب حركة المسح والعودة) في معدل المسح. قد توجد استثناءات لهذه النطاقات، فعلى سبيل المثال، قد تحتاج العينة الخشنة جداً (مثل Rq > 30 nm) إلى مسح بسرعة مسبار <10 µm/s، بينما يمكن تتبع العينة المسطحة ذرياً (مثل Rq < 1 nm) بشكل جيد بسرعة مسبار >20 µm/s.
اختر دقة البكسل الجانبية (X و Y).
ملاحظة: أقصى حجم صورة يدعمه نظام AFM–IR هو 1024 × 1024 بكسل. دقة البكسل هي حجم المسح مقسوماً على عدد البكسلات لكل خط. ومع ذلك، فإن الدقة الفيزيائية محدودة بنصف قطر رأس المسبار. على سبيل المثال، يمتلك مسبار AFM–IR في وضع النقر عالي الصلابة نصف قطر رأس اسمي يبلغ 20 nm؛ لذا فإن اختيار تباعد بكسلات جانبي أقل بكثير من ~20 nm قد يؤدي إلى إفراط في أخذ العينات (oversampling) وتدهور نسبة الإشارة إلى الضجيج (S:N) مع تحسن طفيف أو عدم وجود تحسن في الدقة الفيزيائية.
طبق إزاحات (Offsets) للبيزو في X و Y حسب الحاجة لتوسيط المنطقة المستهدفة داخل منطقة المسح.
استمر في المسح مع تعديل نقطة تعيين السعة وكسب التغذية الراجعة بشكل تكراري لتحسين جودة الصورة من خلال التحقق من تداخل خطي المسح والعودة وتقليل إشارة الخطأ إلى أدنى حد (أي زيادة كسب التغذية الراجعة حتى ما قبل ظهور زيادة في الضجيج، كما هو موضح في الخطوة 3.7) لحجم المسح ومعدل المسح ودقة البكسل المختارة.
بعد تحسين معاملات التصوير، استمر في مسح المنطقة الكاملة لالتقاط صورة للمنطقة المستهدفة لإجراء تحليل IR.
ملاحظة: كما هو موضح في النتائج النموذجية (Representative Results)، تعتمد المنطقة المراد مسحها على احتياجات العينة المحددة (على سبيل المثال، تحليل طيفي IR انتقائي لنقطة ملوث، أو رسم خرائط IR للتوزيع المكاني لمجموعة وظيفية كيميائية محددة، إلخ).
اختر أيقونة Stop في نافذة AFM Scan لإيقاف المسح بعد اكتمال خريطة التضاريس والتأكد من المواقع المستهدفة.
ملاحظة: إذا رغبت في ذلك (على سبيل المثال، إذا كان سيتم جمع أطياف IR نقطية فقط لاحقاً بدلاً من خرائط IR، ولكن مع الرغبة في ربط أطياف IR بالميزات التضاريسية)، قم بحفظ صورة تضاريس AFM عن طريق اختيار Capture: Last Frame من شريط أدوات نافذة Microscope.

4. محاذاة وتحسين ليزر الأشعة تحت الحمراء (IR)

حدد ميزة ذات أهمية يُرجح أن تكون نشطة بالأشعة تحت الحمراء (IR-active) في صورة تضاريس مجهر القوة الذرية (AFM).
ملاحظة: قد تكون عملية تحديد السمة ذات الأهمية والنشطة بالأشعة تحت الحمراء عملية تكرارية، وذلك اعتماداً على مدى مسبقاً المعرفة بتكوين العينة، بالإضافة إلى التوافق (أو عدم التوافق) بين السمات الطبوغرافية والسمات القابلة للتحديد والنشطة بالأشعة تحت الحمراء (IR-active). وبناءً على ذلك، يمكن أن يكون من المفيد تصنيع عينة لمحاذاة الأشعة تحت الحمراء، مثل فيلم غطاء بولي إيثيلين تيريفثالات (PET) على ركيزة عالية الانعكاس كما هو موضح في الشكل 5.
انقل المسبار إلى السمة المحددة باستخدام وظيفة الملاحة بنقرة واحدة في بث الفيديو المباشر لنافذة المجهر.
انقر فوق أيقونة المحاذاة (Align) في نافذة NanoIR لفتح نافذة معالج تحميل الرأس (Load Tip Wizard). سيؤدي ذلك إلى تفعيل ليزر المحاذاة المرئي الذي يقع على خط واحد مع مسار ليزر الأشعة تحت الحمراء (IR).الشكل 5-أ، 5B).
اضبط بؤرة الأشعة تحت الحمراء (IR focus) باستخدام سهمي الأعلى والأسفل في خيار "Adjust IR Focus" ضمن نافذة "Center Align Laser"، وذلك لتحديد الموضع البؤري الذي ينتج أصغر بقعة ليزر مرئية وأكثرها دائرية (الشكل 5ب).
ملاحظة: ستسهل العينة عالية الانعكاس رؤية شعاع الليزر المرئي في حال عدم اصطدامه بالرافعة (cantilever).
قم بتوسيط ليزر المحاذاة المرئي الموجود على ظهر العارضة (cantilever) مباشرة فوق طرف المسبار باستخدام أسهم التنقل الخاصة بمحاذاة الليزر (Align Laser Navigation).
انقر فوق "إنهاء" (Finish) لإغلاق نافذة معالج تحميل الرأس (Load Tip Wizard).
ملاحظة: توفر الخطوات من 4.3 إلى 4.6 محاذاة تقريبية فقط. يتم إجراء التحسين النهائي لمحاذاة الحزمة وتركيزها باستخدام حزمة الأشعة تحت الحمراء (IR) في الخطوات اللاحقة لضمان الحصول على استجابة حرارية ضوئية قابلة للقياس من العينة (الشكل 5ج، ٥-د).
اختر عدد موجي للأشعة تحت الحمراء يقابل نمطًا اهتزازياً معروفاً بنشاطه في الأشعة تحت الحمراء للميزة المراد دراستها.
ملاحظة: قد تؤدي المعرفة المسبقة بالتركيب الكيميائي المتوقع ونطاقات امتصاص الأشعة تحت الحمراء (IR) المقابلة له إلى تبسيط عملية التحسين. على سبيل المثال، تظهر مجموعات الكربونيل (C=O) عادةً امتصاصاً قوياً للأشعة تحت الحمراء بالقرب من 1720-1730 سم-1.⁻¹.
تحقق من تفعيل جميع إجراءات السلامة الخاصة بالليزر المطلوبة قبل تشغيل مصدر الأشعة تحت الحمراء.
تحذير: إشعاع الأشعة تحت الحمراء (IR) غير مرئي وقد يسبب إصابة خطيرة في العين. يجب اتباع جميع متطلبات السلامة المعمول بها لليزر قبل تفعيل مصدر الأشعة تحت الحمراء، بما في ذلك اللوحات الإرشادية، وأقفال السلامة المتداخلة، والستائر الضوئية، وعناصر التحكم في الغلاف، وارتداء نظارات السلامة الخاصة بالليزر عند الاقتضاء. يُعد مصدر OPO واسع النطاق نظام ليزر من الفئة 4، بينما يُعد مصدر QCL نظام ليزر من الفئة 3B. وبناءً على طريقة تركيبه، يُصنف نظام AFM–IR ضمن الفئة 2 لأن أنابيب الحزمة تحوي حزم الليزر، وتعمل أقفال السلامة المتداخلة على إغلاق الستائر عند فتح غلاف نظام AFM–IR. وبما أن الستائر مصممة للإغلاق التلقائي عند انقطاع التيار الكهربائي، فإن نظارات السلامة الخاصة بالليزر ليست مطلوبة أثناء التشغيل الروتيني، ما لم يتم تعطيل أقفال السلامة أو فتح الستائر قسراً أثناء أعمال الصيانة أو إعادة محاذاة الحزمة. وعندما تكون النظارات مطلوبة، يجب استخدام نظارات السلامة الخاصة بليزر الأشعة تحت الحمراء التي توفر حماية عبر كامل نطاق ليزر الأشعة تحت الحمراء، مثل نظارات السلامة من نوع Schott-glass.
اختر قدرة الأشعة تحت الحمراء الساقطة (incident IR Power) المطلوبة من القائمة المنسدلة لمستويات التوهين المتاحة في نافذة NanoIR، وذلك بناءً على تركيبات عجلة مرشح الكثافة المحايدة المتاحة.
ملاحظة: قد تؤدي القدرة المفرطة للأشعة تحت الحمراء (IR) إلى إلحاق ضرر حراري بالمواد الحساسة. وبالنسبة للعينات القائمة على البوليمرات في نظام AFM–IR، يجب الحفاظ على قدرة الأشعة تحت الحمراء دون مستوى 20% تقريبًا.
اضبط دورة تشغيل الليزر (Duty Cycle) في نافذة NanoIR.
ملاحظة: بالنسبة لمصدر OPO عريض النطاق، استخدم دورة تشغيل بنسبة 50%. وبالنسبة لـ QCL، استخدم دورة تشغيل أقل من 10%، عادةً ما تكون بين 2% و4%. وفي حالة تشغيل QCL، تحدد دورة التشغيل والترشيح بكثافة متعادلة معًا قدرة الأشعة تحت الحمراء الساقطة، حيث تتناسب القدرة خطيًا مع دورة التشغيل. يقوم البرنامج تلقائيًا بضبط مدة نبضة QCL من 40 نانو ثانية إلى 500 نانو ثانية بزيادات قدرها 20 نانو ثانية لتتوافق مع دورة التشغيل ومعدل تكرار النبضات المختارين.
انقر على أيقونة التحسين (Optimize) في نافذة NanoIR لفتح نافذة تحسين الأشعة تحت الحمراء (IR Optimize).
قم بضبط شريط التمرير الموجود في أعلى نافذة IR Optimize لتحديد منطقة أكبر من 200 µm × 200 µm انقر فوق Scan لمسح شعاع الأشعة تحت الحمراء (IR beam).
قم بضبط بؤرة الأشعة تحت الحمراء (IR) إذا لزم الأمر للتعويض عن الاختلافات بين محاذاة الضوء المرئي وحزم الأشعة تحت الحمراء. وللقيام بذلك، انقر فوق "Tools" واختر "Focus Capture". حدد عدد لقطات البؤرة (Number of Focus Captures) (على سبيل المثال: 5)، بالإضافة إلى نقاط البداية والنهاية للبؤرة (focus Start and End points)، ثم انقر فوق "Focus Capture" لتحسين محاذاة الحزمة والبؤرة في آن واحد.
ملاحظة: يجب أن يؤدي الشعاع المحاذى بشكل صحيح إلى إنتاج ملف استجابة غاوسي تقريباً. الشكل 5ج يوضح خريطة تحسين الحزمة التي يتم الحصول عليها عندما تكون العينة غير نشطة في الأشعة تحت الحمراء عند العدد الموجي المختار و/أو عندما يكون محاذاة الأشعة تحت الحمراء والتركيز غير محسنين بشكل جيد. الشكل 5D يوضح شعاعاً محسناً نموذجياً بحجم بقعة يبلغ تقريباً 40-50 µm واستجابة ضوئية حرارية تبلغ 3 مللي فولت تقريبًا فوق مستوى الخلفية. أما حجم بقعة الشعاع فهو < 100 µm باستجابة ضوئية حرارية تبلغ > يُعدّ الارتفاع بمقدار 0.5 ميلي فولت فوق مستوى الخلفية مقبولاً بشكل عام؛ ومع ذلك، سيعتمد هذا الأمر على الحجم الدقيق لحزمة الإدخال، وجودة النمط، والتشتت، والطول الموجي، بالإضافة إلى تصميم مسار الحزمة (على سبيل المثال: بصريات التركيز، وفلاتر الكثافة المحايدة، وما إلى ذلك). كما تعتمد قوة الاستجابة الفوتو-حرارية بشكل كبير على قوة امتصاص الأشعة تحت الحمراء للعينة نفسها، والتي تعتمد بدورها على مقدار التغير في عزم ثنائي القطب للرابطة أثناء الاهتزاز وعدد تلك الروابط الموجودة في منطقة استجابة المجال القريب للمجس.
كرر عملية تحسين الحزمة عند أرقام موجية إضافية في حال سيتم الحصول على أطياف أو خرائط كيميائية عبر نطاق طيفي واسع.
ملاحظة: قد يختلف محاذاة الشعاع وبؤرته كدالة في الطول الموجي؛ لذا، يجب تحسين محاذاة الشعاع وبؤرته عند أعداد موجية متعددة عندما يتم الحصول على أطياف أو خرائط كيميائية عبر نطاق طيفي واسع.⁸.
انقر فوق موافق لإغلاق نافذة تحسين الأشعة تحت الحمراء (IR Optimize) وحفظ الإعدادات.
انقر على أيقونة Pulse Tune في نافذة NanoIR لفتح نافذة Laser Pulse Tune.
اضبط نطاق الضبط (Tune Range) ليكون في حدود 100-200 كيلوهرتز تقريبًا، بحيث يكون متمركزًا حول معدل نبضات فرق التردد الاسمي الذي تم تحديده أثناء ضبط المسبار.
ملاحظة: يكون معدل تكرار النبضات الاسمي مساوياً لـ |f₂ − f₁|، حيث f₁ و f₂ هما ترددا الرنين المحددان للتحفيز والكشف.
قم بمسح معدل تكرار نبضات الليزر عبر نطاق الضبط المختار لـ "Pulse Rate" من خلال النقر على "Acquire".
تحقق من ظهور ذروة رنين بارزة ومعزولة على شكل غاوسي دون وجود كتف ملحوظ، على غرار الخطوات 2.2.2 و2.3.3 في عملية ضبط المسبار (Probe Tuning) عند اختيار رنينات وضع القيادة والكشف (Drive and Detection Mode).
ملاحظة: قم بزيادة نطاق المسح ليصل إلى 1,000 كيلو هرتز في حال عدم ملاحظة ذروة رنين واضحة تستوفي المعايير المذكورة أعلاه.
حدد ذروة الرنين المحددة. بشكل عام، تكون الذروة ذات السعة الأعلى ضمن نطاق معدل تكرار نبضات الليزر (التردد) المختار والتي تستوفي معايير الاختيار هي الأفضل، ومن شأنها أن تنتج أقوى استجابة امتصاص بالأشعة تحت الحمراء مضخمة بالتردد المتغاير.
قم بتقليل نطاق الضبط المراد مسحه ليكون ≤50 كيلو هرتز.
قم بتحسين معدل تكرار النبضة المختار من خلال تحديد القيمة القصوى لذروة الرنين.
قم بتفعيل حلقة القفل الطوري (PLL) ضمن خيار الضبط التلقائي (Auto-Tune).
ملاحظة: تحافظ حلقة تتبع الطور (PLL) على معدل تكرار نبضات الليزر عند تردد الفرق بين أنماط القيمة الذاتية للمجس المختار، مما يعوض انزياح تردد الرنين أثناء القياس.¹⁵.
اضبط عرض نطاق حلقة القفل الطوري (PLL) ليكون ≤ ±30 كيلوهرتز حول الرنين المحدد، وذلك من خلال ضبط الترددات الدنيا والقصوى المسموح بها المقابلة.
اضبط عتبة حلقة locked-phase loop (PLL) لتكون أعلى قليلاً من مستوى الضوضاء الملحوظ في مرحلة الضبط النبضي (pulse-tune) (حوالي 1.1 مرة من قيمة الضوضاء).
انقر فوق موافق (OK) لإغلاق نافذة ضبط نبضة الليزر (Laser Pulse Tune) وحفظ الإعدادات.
ملاحظة: أعد التأكد من محاذاة الليزر إذا اختلف معدل تكرار النبضات المُحسَّن بشكل كبير عن القيمة التي تم الحصول عليها أثناء الضبط الأولي للمسبار.
اختيار الأدوات > معايرة الخلفية بالأشعة تحت الحمراء (IR Background Calibration) من القائمة الرئيسية.
انقر فوق "New" للحصول على طيف الخلفية، I₀(ṽ).
تأكد من أن معدل النبض ودورة التشغيل متساويان مع القيم التي تم تحديدها أثناء تحسين الأشعة تحت الحمراء (IR optimization).
اضبط الدقة الطيفية (سم⁻¹⁻¹(/pt) مساوٍ للقيمة المخطط لها لعملية اكتساب العينة.
ملاحظة: تعتمد أقصى دقة طيفية يمكن تحقيقها على مصدر الأشعة تحت الحمراء (<١ سم⁻¹ لجهاز MIRcat QCL وبمسافة تبلغ حوالي 20 سم⁻¹ (العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى لجهاز APE Carmina الذي يعمل في وضع النطاق الضيق). وتشمل الاعتبارات الإضافية عند اختيار الدقة الطيفية عرض الخطوط الاهتزازية المتوقع والتباعد بين السمات الطيفية (إذا كانت معروفة)، ووقت الحصول على البيانات المعقول (الذي يتناسب طردياً مع الدقة)، ونسبة الإشارة إلى الضجيج المطلوبة (والتي تنخفض مع زيادة الدقة الطيفية). وعادةً ما توفر أجهزة مطياف FTIR التجارية لتحليل العينات الصلبة دقات قابلة للاختيار من قبل المستخدم وهي 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 سم⁻¹⁻¹، بطول 4 سم⁻¹ الدقة هي إعداد شائع الاستخدام.
حدد الأعداد الموجية للبداية والنهاية التي تشمل النطاق الطيفي الكامل المخصص لقياسات العينة.
اضبط الطاقة على 100%.
اضبط الخلفيات على خيار المتوسط لـ 5 عمليات استحواذ.
انقر على Acquire (جمع البيانات) للحصول على متوسط طيف الخلفية.
ملاحظة: يجب أن يعكس طيف الخلفية عالي الجودة شكل طيف خرج قدرة ليزر الأشعة تحت الحمراء مقابل الطول الموجي الخاص بالشركة المصنعة. يرجى الرجوع إلى ورقة البيانات/دليل استخدام الليزر. قد تظهر سمات امتصاص إضافية في طيف الخلفية إذا لم يتم تطهير غرفة AFM−IR بشكل كافٍ (على سبيل المثال، يظهر الماء عادةً كسلسلة من قمم الامتصاص بين 1250 و2000 سم-1 تقريبًا).⁻¹، مع وجود قيم قصوى عند ~1550 و~1700 سم-1⁻¹، بالإضافة إلى نطاق عريض يبلغ حوالي 300 سم⁻¹ امتصاص عريض عند العرض الكامل لنصف القيمة القصوى (FWHM) متمركز عند 3750 سم-1⁻¹، بينما CO₂ تظهر عادةً على شكل امتصاص عريض عند ~2325 سم⁻¹⁻¹). ارجع إلى كتاب الكيمياء على الويب التابع للمعهد الوطني للمعايير والتقنية NIST (https://webbook.nist.gov/chemistry/) للحصول على أطياف الأشعة تحت الحمراء الممثلة للطور البخاري لـ H₂O و CO₂⁸².
انقر فوق "حفظ" (Save) لحفظ طيف الخلفية وإغلاق نافذة "جمع الخلفية" (Collect Background) تلقائيًا.
ملاحظة: أثناء عملية اكتساب الطيف بالأشعة تحت الحمراء، سيقوم البرنامج تلقائيًا بقسمة الاستجابة الكهروحرارية المقاسة على ملف معايرة خلفية الأشعة تحت الحمراء لتصحيح التباين في قدرة خرج الليزر كدالة في الطول الموجي/العدد الموجي (أي طيف خرج الليزر).

مخطط للإثارة الضوئية مع إعداد المطيافية، وتحليل الامتصاص، ونتائج الملاءمة الطيفية.
الشكل 5. سير عمل محاذاة وتحسين ليزر IR. (A) صورة ضوئية لمجس AFM مع خروج ليزر المحاذاة المرئي عن التركيز وعدم تمركزه على العارضة. (B) ليزر المحاذاة المرئي متمركز على العارضة مباشرة فوق طرف المجس بعد تحسين التركيز والتموضع. (C) مثال لمسح خطي (raster scan) لمنطقة بمساحة 200 µm × 200 µm باستخدام Carmina OPO مضبوط على 1730 cm⁻¹ ومصفى إلى 11.39% من القدرة، تم الحصول عليه في ظروف محاذاة وتركيز غير محسنة للحزمة. كانت العينة غير نشطة فعلياً في نطاق IR عند العدد الموجي المحدد و/أو كان تركيز IR غير محاذٍ بشكل جيد مع الواجهة بين الطرف والعينة؛ وبناءً عليه، لم يتم رصد أي استجابة ضوئية حرارية موضعية عالية الكثافة. (D) مسح خطي محسن للحزمة متمركزة على نفس المنطقة بمساحة 200 µm × 200 µm حول طرف المجس، يظهر بروفيل ليزر متمركز وبشكل غاوسي تقريباً بحجم بقعة يتراوح بين 40–50 µm واستجابة ضوئية حرارية قوية بكثافة قصوى تبلغ حوالي 3 mV. (E) طيف AFM–IR نموذجي في وضع النقر (tapping-mode) مكتشف بواسطة الهيتيروداين (heterodyne-detected) تم الحصول عليه بدقة 2 cm⁻¹/point من عينة محاذاة من بولي إيثيلين تيريفثالات (PET) بعد تحسين محاذاة حزمة IR مع طرف المجس عند 1730 cm⁻¹. يمثل المحور y الاستجابة الضوئية الحرارية لـ AFM–IR المقاسة بالميلي فولت للإشارة على الثنائي الضوئي لارتداد الحزمة عند تردد وضع الكشف (Detection Mode). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

5. اكتساب طيف الأشعة تحت الحمراء

حدد السمة ذات الأهمية في صورة تضاريس AFM التي تم الحصول عليها مسبقاً، ثم ضع مسبار AFM فوق السمة المحددة في عرض التصوير (Imaging View) باستخدام وظيفة التنقل بالنقر في نافذة المجهر (Microscope window).
حدد نطاق الحصول على الطيف المطلوب (البداية والنهاية بـ cm⁻¹) في نافذة NanoIR بناءً على تغطية الليزر المتاحة وأنماط الاهتزاز المتوقعة ذات الأهمية (إذا كانت معروفة).
ملاحظة: يغطي جهاز APE Carmina المستخدم هنا نطاق 5–15 µm (~670–2000 cm⁻¹)، بينما يحتوي MIRcat QCL على 4 رقائق تغطي النطاقات 755–1005 و 955–1425 و 1425–1835 و 2635–3000 cm⁻¹. بالنسبة لرقاقة السيليكون المنقوشة وعينات البوليمر الموضحة هنا، فإن النطاق الطيفي التقريبي ذو الأهمية هو 1000–1800 cm⁻¹.
اضبط دقة الأطياف (Spectra Resolution) بـ (cm⁻¹/point) في نافذة NanoIR لتتطابق مع القيمة المستخدمة أثناء معايرة الخلفية للأشعة تحت الحمراء (IR Background Calibration).
اختر قدرة ليزر IR المطلوبة من القائمة المنسدلة في نافذة NanoIR.
ملاحظة: راجع الملاحظة الواردة في الخطوة 4.9 وقسم المناقشة للحصول على تفاصيل بشأن اعتبارات قدرة الأشعة تحت الحمراء الساقطة.
حدد عدد الأطياف المراد الحصول عليها في نافذة NanoIR.
ملاحظة: على الرغم من أن القيمة الافتراضية هي طيف واحد، فإن الحصول على أطياف متعددة يتيح تقييم التباين من طيف لآخر ويسمح بإجراء المتوسط الحسابي المشترك (co-averaging) للأطياف يدوياً في مرحلة ما بعد المعالجة لتحسين نسبة الإشارة إلى الضجيج (S:N).
إذا كان المطلوب هو إجراء متوسط حسابي طيفي لتحسين نسبة S:N، فتأكد من تحديد خانة "Co-average Spectra" وحدد عدد المتوسطات المشتركة للأطياف المطلوبة من القائمة المنسدلة في نافذة NanoIR.
ملاحظة: ستتحسن نسبة S:N وفقاً للجذر التربيعي لعدد المتوسطات المشتركة، بينما سيزداد الوقت المطلوب للاستحواذ بشكل خطي، لذا هناك نقطة تتناقص فيها العوائد المرجوة من زيادة عدد المتوسطات المشتركة.
انقر على Acquire في نافذة NanoIR لبدء الحصول على طيف IR.
إذا كنت ترغب في ذلك، قم بتصدير وحفظ الطيف الذي تم الحصول عليه من خلال اختيار Export من القائمة المنسدلة File في Analysis Studio.
ملاحظة: تشمل تنسيقات الملفات المتاحة لتصدير الأطياف CSV و TSV والصور (TIFF أو GIF أو BMP أو PNG أو JPEG). بالإضافة إلى بيانات XY لطيف IR (أي سعة IR كدالة في العدد الموجي لـ IR)، ستتضمن ملفات CSV أو TSV نسبة قدرة IR التي اختارها المستخدم، وعامل شكل الحزمة، وتردد PLL، بالإضافة إلى بيانات معايرة الخلفية لـ IR المستخدمة لتقييم الاستجابة الفوتوحرارية الخام وتصحيح طيف قدرة مخرج الليزر (راجع الخطوة 4.35). لن تحتوي الصور على أي بيانات وصفية (metadata).
كرر عملية الحصول على الأطياف في مواقع إضافية حسب الحاجة.
ملاحظة: راجع قسم النتائج والمناقشة للاطلاع على أمثلة لاختيار المعايير وتفسير أطياف AFM–IR.

6. تخريط الأشعة تحت الحمراء (النمط الاهتزازي)

اضبط العدد الموجي للأشعة تحت الحمراء (IR wavenumber) في نافذة NanoIR على الحد الأقصى لسعة نمط الاهتزاز المراد دراسته، وذلك بناءً على طيف الأشعة تحت الحمراء الذي تم الحصول عليه في الخطوة 5.
ملاحظة: اختر نمط اهتزاز (قمة طيفية) يظهر سعة عالية ويوفر أكبر تباين للمواد (أي القمة التي توجد فقط في أحد مكونات المادة أو تكون أقوى بكثير فيها)، كما هو موضح في النتائج التمثيلية (على سبيل المثال، تمدد الكربونيل عند 1730 cm⁻¹ لـ PMMA في الشكلين 6 و9، أو تمدد Si–O عند 1120 cm⁻¹ لـ SiO₂ في الشكل 7، أو نمط التمدد العطري عند 1600 cm⁻¹ لبقايا المقاوم الضوئي في الشكل 8). يمكن الرجوع إلى مخططات ارتباط الأشعة تحت الحمراء، أو أطياف الأشعة تحت الحمراء المنشورة أو المكتسبة محلياً، أو قواعد البيانات الطيفية المتاحة علناً مثل NIST Chemistry WebBook لتحديد القمم⁸².
حدد مربع اختيار "تفعيل التصوير بالأشعة تحت الحمراء" (IR Imaging Enabled) في نافذة NanoIR.
ابدأ مسح AFM بالنقر على أيقونة المسح (Scan) في نافذة AFM Scan. سيؤدي ذلك إلى بدء الاستحواذ المتزامن لصورة تضاريس AFM وخريطة سعة الأشعة تحت الحمراء المقابلة لها.
ملاحظة: عادةً ما يمكن استخدام نفس معلمات مسح AFM لرسم خرائط الأشعة تحت الحمراء (IR Mapping) كما تم استخدامها سابقاً للحصول على صورة تضاريس AFM في الخطوة 3. راجع قسم "النتائج التمثيلية والمناقشة" للاطلاع على أمثلة حول اختيار المعلمات وتفسير الخرائط الكيميائية لـ AFM–IR.
اختر "التقاط: نهاية الإطار" (Capture: End of Frame) من شريط أدوات نافذة المجهر لحفظ صورة تضاريس AFM وبيانات رسم خرائط الأشعة تحت الحمراء.
ملاحظة: يمكن تصدير بيانات تضاريس AFM ورسم خرائط الأشعة تحت الحمراء المحفوظة إما كصورة (TIFF أو GIF أو BMP أو PNG أو JPEG) أو كملف بيانات AFM بصيغة Gwyddion (*.gsf) لإجراء المعالجة اللاحقة وتحليل البيانات دون اتصال بالإنترنت إذا لزم الأمر، وذلك عن طريق اختيار "تصدير" (Export) من القائمة المنسدلة "ملف" (File) في Analysis Studio. وبينما تتوفر البيانات الوصفية المتعلقة بمعلمات استحواذ البيانات في ملف مشروع Analysis Studio، فإن الصور المصدرة أو ملفات بيانات AFM لن تتضمنها. وعلى عكس بيانات تضاريس AFM، يتم عرض خرائط الأشعة تحت الحمراء عادةً كما تم الحصول عليها، دون إجراء أو الحاجة إلى معالجة لاحقة (مثل مواءمة المستوى أو التسطيح)، على غرار أنماط SPM غير التضاريسية الأخرى مثل CAFM/TUNA أو KPFM أو MFM.

أطياف FTIR وصورة AFM لـ PMMA على SiO2؛ تحليل البوليمر، نتائج مطيافية الأشعة تحت الحمراء.
الشكل 6. مطيافية AFM–IR والخرائط الكيميائية لـ بولي(ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) المنقوش. تم نقش PMMA على ركيزة Si/SiO₂ مؤكسدة حرارياً باستخدام نظام Teneo Nabity NPGS لليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية (EBL). أُجريت القياسات باستخدام AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين مع مسبار CnIR-B-10 وجهاز MIRcat QCL تمت تصفيتها عند 14.75% من قدرة IR وضبطها على معدل تكرار نبضات الليزر حوالي 782 kHz بما يتوافق مع رنين التلامس للمسبار الذي تم الحفاظ عليه عند نقطة ضبط انحراف تبلغ 2 V (حمل يبلغ حوالي 4 nN). (A) أطياف AFM–IR التي تم الحصول عليها من مناطق PMMA (باللون البرتقالي) وSiO₂ (باللون الأزرق) في العينة. تمثل الأطياف متوسط خمس عمليات استحواذ متتالية تم جمعها في نفس الموقع بدقة طيفية تبلغ 2 cm^-1/point. تمت تنعيم الأطياف في برنامج Origin v10.0.5.157 باستخدام مرشح Savitzky–Golay من الدرجة الثالثة مع نافذة متحركة مكونة من 10 نقاط، وتم إزاحة طيف PMMA رأسياً من أجل الوضوح. يوضح الشكل المدرج البنية الجزيئية لـ PMMA، مع إبراز المجموعة الوظيفية كربونيل (C=O). (B) خريطة كيميائية بـ AFM–IR تم الحصول عليها عند 1730 cm^-1، وهو ما يتوافق مع حزمة امتصاص الكربونيل لـ PMMA. تغطي الخريطة منطقة بمساحة 15 µm × 15 µm تم الحصول عليها بمعدل مسح 0.5 Hz ودقة بكسل تبلغ 30 nm (500 × 500 بكسل). تم تفعيل حلقة مغلقة الطور (PLL) طوال عملية الحصول على الصورة لتتبع التغيرات في تردد رنين التلامس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

مقطع عرضي لنتريد السيليكون على ثاني أكسيد السيليكون، تحليل SEM وAFM؛ أطياف IR ورسم خرائط السعة.
الشكل 7. توصيف AFM–IR للترسيب الانتقائي للمساحة (ASD) للبولي بيرول (PPy) على هياكل السيليكون المنقوشة. أُجريت القياسات باستخدام AFM–IR بوضع النقر المكتشف بالتردد المتغاير ومسبار TnIR-D-10. تمت تصفية Carmina OPO إلى 4.15% من قدرة IR وضبطها على معدل تكرار نبضات الليزر بحوالي 258 kHz، وهو ما يتوافق مع الفرق بين ترددات وضع التشغيل والكشف للتضخيم المتغاير لإشارة الاستجابة الضوئية الحرارية لـ IR، مع ضبط نطاق PLL على ±25 kHz. (A) صورة مجهر إلكتروني ماسح (SEM) للمقطع العرضي للرقاقة المنقوشة تظهر نتوءات السيليكون المغطاة بـ SiN المجاورة لخنادق SiO₂. (B, C) صور تضاريس AFM بدقة 256 × 256 بكسل لمناطق منقوشة نموذجية تعرض (B) مساحة 10 µm × 10 µm بدقة بكسل تبلغ حوالي 40 nm و (C) مساحة 5 µm × 5 µm بدقة بكسل تبلغ حوالي 20 nm. (D) أطياف AFM–IR الخام المكتسبة من مناطق SiO₂ و SiN، بدقة طيفية تبلغ 2 cm^-1/point، تظهر وضع تمدد Si–O المميز عند حوالي 1120 cm^-1. (E) خريطة كيميائية لـ AFM–IR مكتسبة عند 1120 cm^-1. تشير زيادة كثافة الإشارة إلى امتصاص Si–O أقوى. (F) تمثيل ثلاثي الأبعاد لاستجابة AFM–IR عند 1120 cm^-1 متراكب على تضاريس العينة بعد ترسيب PPy. لوحظ الترسيب الموضعي داخل خنادق SiO₂. دقة البكسل لخرائط IR بمساحة 5 µm × 5 µm الموضحة في (E) و (F) تبلغ حوالي 20 nm (256 × 256 بكسل). تم الحصول على الخرائط بمعدل مسح 0.5 Hz. البيانات الأساسية والشكل مقتبسان بإذن بموجب ترخيص CC BY 4.0 من الشكل 6 في Thelven et al.⁴⁴. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

مخطط تحليل مطيافية الأشعة تحت الحمراء مع نقاط تلامس؛ المواقع A و B و C. رسم بياني لشدة الأشعة تحت الحمراء مقابل العدد الموجي.
الشكل 8. تحليل AFM–IR لعملية إزالة مقاوم الضوء. أُجريت القياسات باستخدام تقنية AFM–IR بوضع النقر المكتشف بالتردد المتغاير ومسبار TnIR-D-10. تم ترشيح Carmina OPO لتصل قدرة الأشعة تحت الحمراء إلى 4.15% وضُبط معدل تكرار نبضات الليزر عند 266 kHz تقريباً، وهو ما يتوافق مع الفرق بين ترددي وضعي التشغيل والكشف للتضخيم المتغاير لإشارة الاستجابة الضوئية الحرارية للأشعة تحت الحمراء، مع ضبط عرض نطاق PLL عند ±25 kHz. (A) خريطة كيميائية بـ AFM–IR لمنطقة بمساحة 20 µm × 20 µm تم الحصول عليها بمعدل مسح 0.3 Hz وبدقة بكسل 50 nm (400 × 400 بكسل) مع ضبط ليزر الأشعة تحت الحمراء عند 1600 cm^-1، وهو ما يتوافق مع اهتزازات الحلقة العطرية المميزة لمقاوم الضوء. تم تحديد مناطق التلوث المتبقي المشتبه بها بخطوط متقطعة. تمت إزالة الخطوط الأفقية الناتجة عن ضعف تتبع المسبار للمعالم المفاجئة باستخدام وظيفة تصحيح الندبات في Gwyddion v2.69. (B) أطياف AFM–IR تم الحصول عليها بدقة 1 cm^-1/point من المواقع الموضحة في (A). يمثل الموقع A مقاوم الضوء، ويمثل الموقع B منطقة تلامس ملوثة، ويمثل الموقع C سطح Ga₂O₃ نظيفاً اسمياً. تشير المنطقة المظللة إلى النطاق الطيفي المستخدم لإنشاء الخريطة الكيميائية بناءً على الاستجابة الضوئية الحرارية للعينة عند 1600 cm^-1. تم تنعيم الأطياف باستخدام مرشح معالجة لاحقة FFT في Gwyddion v2.69. تم اقتباس البيانات الأساسية والشكل بإذن بموجب ترخيص CC BY 4.0 من الشكل 6 في Pieczulewski et al.⁴⁵. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تظهر مخططات وصور المطيافية ضبط النبضة، والسعة، وعامل Q، وتحليل ضوضاء الإشارة.
الشكل 9. تأثير اختيار رنين التلامس على أداء AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين. أُجريت القياسات على عينة واحدة من PMMA على Si/SiO₂ منقوشة بتقنية EBL باستخدام AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين ومسبار CnIR-B-10 تم الحفاظ عليه عند نقطة ضبط انحراف تبلغ 2 V (حمولة تقارب 4 nN)، مع MIRcat QCL مفلتر بقدرة IR تبلغ 17.85%. تم تغيير معدل تكرار نبض QCL ليتوافق مع ترددات رنين التلامس المختلفة المرصودة، مع ضبط عرض نطاق PLL عند ±30 kHz. (A) مسح رنين التلامس الذي تم الحصول عليه من PMMA على ركيزة Si/SiO₂ مع ضبط الليزر على نطاق امتصاص الكربونيل لـ PMMA عند 1730 cm^-1. (B) أطياف AFM–IR التي تم الحصول عليها باستخدام معدلات تكرار نبضات الليزر 177 kHz و 1139 kHz. تمثل الأطياف متوسط خمس عمليات استحواذ متتالية جُمعت من الموقع نفسه، وتم تطبيعها وفقاً لارتفاع ذروة الكربونيل عند 1730 cm^-1، وإزاحتها رأسياً من أجل الوضوح. (C) عوامل Q النسبية المحسوبة من ذروات الرنين المقاسة. (D) نسب الإشارة إلى الضوضاء (S:N) النسبية المحسوبة كنسبة شدة ذروة كربونيل PMMA إلى جذر متوسط مربع ضوضاء خط الأساس. (E, F) خرائط كيميائية خام لـ AFM–IR تم الحصول عليها بمعدل مسح 0.8 Hz من مسح واحد بمساحة 15 µm x 15 µm عند 1730 cm^-1 بدقة بكسل 30 nm (500 × 500 بكسل) باستخدام معدلات تكرار نبضات الليزر (e) 177 kHz و (f) 1139 kHz. ولتسهيل المقارنة، تُعرض خرائط البيانات الخام في (E) و (F) باستخدام نفس المقياس اللوني. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

النتائج

في مجال أشباه الموصلات، يمكن استخدام مادة لدنة بالحرارة مثل بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) كعازل ومزجها مع بوليمرات شبه موصلة نشطة لضبط حركية الشحنة في الجهاز⁷⁷^,⁷⁸. كما أن لـ PMMA فائدة كمقاوم موجب لليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية أو الأشعة فوق البنفسجية⁷⁹. وفي كلا التطبيقين، يمكن استخدام AFM–IR للتأكد من توزيع البوليمر بعد المعالجة. في الشكل 6A، 6B، تم استخدام الليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية (EBL) لتشكيل ميزات PMMA على رقاقة سيليكون مغطاة بطبقة رقيقة من الأكسيد (SiO₂). ويمكن ملاحظة الاختلافات الطيفية بين البوليمر (PMMA) وركيزة Si/SiO₂ في أطياف AFM–IR النقطية الانتقائية المتوسطة والممهدة الناتجة (الشكل 6A). ومن خلال ضبط ليزر IR على الحد الأقصى للامتصاص عند 1730 cm^-1 لرابطة الكربونيل (C=O) في PMMA، يمكن رسم خريطة لنمط البوليمر (الشكل 6B) لتقييم جودة المعالجة، بما في ذلك انتظام توزيع البوليمر ودقة نمط EBL.

يظهر مثال آخر على تقييم ميزات أشباه الموصلات المنقوشة باستخدام تقنية AFM–IR في الشكل 7A–7F. حيث قدم أحد المتعاونين الصناعيين رقاقات منقوشة بأغشية SiN مرسبة على نتوءات Si تتبادل مع خنادق SiO₂ (الشكل 7A). تم فحص الركيزة المنقوشة المستلمة أولاً باستخدام AFM–IR للتأكد من التطابق بين النقوش الطوبوغرافية (الشكل 7B، 7C) والكيميائية (الشكل 7D، 7E). وأظهرت الأطياف النقطية التي تم الحصول عليها من داخل خنادق SiO₂ نمط الامتطاط المتماثل المميز لـ Si–O–Si عند 1120 cm^-1، بينما لم تظهر هذه الأطياف في النتوءات المغطاة بـ SiN (الشكل 7D). وكشف المسح اللاحق لمنطقة منقوشة مع ضبط الليزر عند 1120 cm^-1 عن توزيع SiN/SiO₂ يتوافق مع طوبوغرافيا الركيزة، كما يتضح من تراكب خريطة IR في الشكل 7E فوق صورة الطوبوغرافيا في الشكل 7C.

تعد هذه الركائز المنقوشة شرطاً أساسياً للترسيب الانتقائي للمساحة (ASD)، وهو بديل واعد لطرق التنقيش الفوتوليثوغرافية التقليدية التي تتضمن خطوات متعددة من الترسيب والنقش. وبالمقارنة مع الفوتوليثوغرافيا التقليدية، يوفر الترسيب الانتقائي للمساحة (ASD) استهلاكاً أقل للمواد، واستخداماً أقل للطاقة، وتحكماً محسناً في تسجيل الأنماط لبنى الدوائر المتكاملة المعقدة⁴⁴. هنا، تم ترسيب البوليبيرول (PPy) المترافق بشكل انتقائي على نتوءات SiN في الرقاقة المنقوشة. واستُخدم تقنية AFM–IR، مع ضبط الليزر النبضي على وضع تمدد Si–O–Si عند 1120 cm^-1، لتحديد خنادق SiO₂ وتحديد PPy بشكل غير مباشر من خلال عدم امتصاصه عند ذلك العدد الموجي (الشكل 7F). وقد حددت تقنية AFM–IR كلاً من PPy المراد ترسيبه على نتوءات SiN ونوى PPy غير المرغوب فيها داخل خنادق SiO₂، مما مكن من حساب انتقائية الترسيب (S) بناءً على التغطية السطحية المساحية النسبية (θ) لأسطح النمو المطلوبة (g) والأسطح غير النامية (ng)⁴⁴:

$معادلة التوازن الساكن $ S = \frac{\theta_g - \theta_{ng}}{\theta_g + \theta_{ng}} $.$ .

يوضح هذا المثال كيفية استخدام تقنية AFM–IR لتوصيف هياكل أشباه الموصلات المخططة وتقييم نتائج انتقائية المواد أثناء تطوير العمليات.

يتمثل تطبيق إضافي لتقنية AFM–IR في معالجة أشباه الموصلات في تحديد تلوثات المقاوم الضوئي المتبقية. إذ يمكن للمخلفات المتبقية من المقاوم الضوئي قبل عملية الترسيب التماسي أن تقلل من جودة التماس وتزيد من مقاومة التماس، مما قد يؤثر على أداء الجهاز وموثوقيته⁴⁵. في هذا المثال، تم فحص عينة بعد معالجتها لمدة 2 min بـ 100 W من الأكسجين النشط لإزالة الشوائب (descum) بهدف إزالة بقايا المقاوم الضوئي بعد عملية الرفع (lift-off) الخاصة بالتظهير (الشكل 8A، 8B). وقد أتاح رسم خرائط AFM–IR عند اهتزاز الحلقة العطرية 1600 cm^-1 المرتبط بالمقاوم الضوئي تصور المنطقة الرئيسية للمقاوم الضوئي (PR؛ الشكل 8A، الموقع A) وتحديد مناطق معزولة من التلوث المتبقي داخل منطقة التماس (الشكل 8A، الموقع B). وفي المقابل، أظهرت المناطق الأبعد عن حدود المقاوم الضوئي إشارة AFM–IR ضئيلة (الشكل 8A، الموقع C).

جُمِعت أطياف الأشعة تحت الحمراء (IR) النقطية من منطقة المقاوم الضوئي (الموقع A) وقورنت بالأطياف المكتسبة من مناطق معزولة ذات كثافة IR مرتفعة ضمن منطقة التلامس التي تمت إزالة الرواسب منها (الموقع B)، مما أكد وجود بقايا من المقاوم الضوئي في تلك المواقع بناءً على التشابه الطيفي والمعرفة بتكوين المقاوم الضوئي AZ nLOF 2020 المستمدة من صحائف بيانات الشركة المصنعة والبصمات الطيفية المميزة المقابلة له (الشكل 8B). وفي المقابل، لم تظهر الأطياف المكتسبة من الموقع C نطاقات الامتصاص المميزة المرتبطة بالمقاوم الضوئي. وقد حُسب المتوسط المشترك للأطياف عبر خمس مسحات طيفية، وعُرضت دون معالجة طيفية أو تسوية، مع إزاحة الأطياف رأسيًا من أجل الوضوح. يوضح هذا المثال فائدة تقنية AFM–IR كأداة غير إتلافية لتقييم نظافة الواجهة على مقياس النانو وتحديد المصدر المرجح للتلوث الكيميائي الموضعي من خلال الجمع بين المعرفة بالعمليات والتحليل الطيفي باستخدام AFM–IR.

يظهر مثال إضافي يوضح تحسين أداء AFM–IR في الشكل 9A–9F. تعتمد تقنية AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين على اختيار تردد رنين تلامسي مناسب، ويمكن أن يؤثر اختيار معدل تكرار نبضات الليزر بشكل كبير على جودة الإشارة. كشف مسح ضبط النبضات المكتسب من مادة PMMA المنقوشة على ركيزة Si/SiO₂ عن وجود رنينات تلامس متعددة يمكن الوصول إليها (الشكل 9A). وأظهرت أطياف AFM–IR المكتسبة باستخدام ترددات رنين مختلفة اختلافات جوهرية في شدة الإشارة والجودة الطيفية (الشكل 9B). وأثبت تحليل عوامل Q النسبية للرنينات المحددة (الشكل 9C) ونسب S:N المقابلة للأطياف المكتسبة (الشكل 9D) أن اختيار الرنين يؤثر بشكل مباشر على حساسية AFM–IR. تم تحديد عوامل Q النسبية بقسمة سعة كل ذروة رنين على عرضها النسبي غير البعدي. وقد تم تحقيق ذلك بضرب سعة الذروة في التردد المركزي والقسمة على العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM). أما نسبة S:N فقد حُددت بحساب الفرق بين أعلى سعة ذروة في الطيف والقيمة المتوسطة لخط الأساس الخاص به (المقاسة عبر المنطقة 870–970 cm^-1)، ثم قسمة هذا الفرق على انحراف جذر متوسط المربعات (RMS) لمنطقة خط الأساس عن قيمتها المتوسطة المصححة للميل (أي مستوى ضوضاء خط الأساس). وتتضح هذه الاختلافات بشكل أكبر في الخرائط الكيميائية لـ AFM–IR المكتسبة عند 1730 cm^-1 باستخدام معدلات تكرار نبضات تبلغ 177 kHz و1139 kHz (الشكل 9E، 9F)، حيث أدى شرط الرنين الأعلى جودة إلى تحسين التباين الكيميائي وجودة الصورة. يوضح هذا المثال أهمية تحسين الرنين أثناء قياسات AFM–IR ويقدم مقارنة نموذجية بين ظروف الاكتساب غير المثالية والمحسنة.

المناقشة

يعد اختيار المسبار المناسب لهندسة AFM–IR (أي الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل مقابل من الأسفل إلى الأعلى) ووضع التشغيل (على سبيل المثال، وضع النقر tapping-mode مقابل وضع التلامس contact-mode في AFM–IR) اعتباراً هاماً للحصول على بيانات مثالية وخالية من الشوائب. تشمل خصائص المسبار العامة التي يجب مراعاتها ثابت النابض الاسمي وتردد الرنين، واللذان يتناسبان عادةً معاً. وبوجه عام، يُفضل استخدام ترددات رنين أعلى، وبالتالي ثوابت نابض أكبر (أي كوابيل أكثر صلابة)، عند التشغيل بوضع النقر لأنها تقلل من احتمالية الالتصاق المفاجئ عند التلامس (snap-to-contact)، ويمكن أن تتيح معدلات أسرع في اكتساب البيانات وتحسيناً في نسب الإشارة إلى الضوضاء S:N. وهناك اعتبار إضافي يتمثل في وجود أو غياب طلاء معدني. ففي حالة الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل، تُستخدم طلاءات معدنية عالية الانعكاس لتقليل امتصاص الأشعة تحت الحمراء IR بواسطة مسبار AFM ولتوفير تعزيز للمجال القريب للمجال الكهربائي بشكل مستقل عن الطول الموجي من خلال "تأثير مانعة الصواعق" الذي يتوسطه رأس الطرف⁷^,¹⁴^,⁷⁷^,⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹. وتظهر طلاءات الذهب، على وجه الخصوص، استجابة طيفية مسطحة نسبياً عبر منطقة MIR (~2.5–15 µm)، مع انعكاسية عالية (>98%–99%) وتفاوت في الانعكاسية يقل عن 1% كدالة لاستقطاب الضوء الساقط. ويمكن للاعتبارات الأكثر تعقيداً، مثل اختيار ترددات رنين الكابيل لأوضاع التشغيل المختلفة، أن تؤثر بشكل كبير على كل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S:N) والدقة المكانية للبيانات المكتسبة. وبالنسبة لكابيل يتصرف كشعاع مرن مثالي، تتوقع حلول معادلات الوضع الطبيعي أن تردد الرنين الثاني يجب أن يحدث عند خمسة أضعاف تردد الرنين الأساسي تقريباً (f₂ = 5f₁). وبإحاطة هذه العلاقة في تعبير استجابة الكابيل المعروض في المقدمة لـ AFM–IR بوضع النقر المكتشف بالتردد غير المتجانس (heterodyne-detected)، يتوقع استجابة كابيل (Z) تتناسب مع 0.16Q₂ عند النقر بتردد f₁ وفك التشكيل عند f₂، مقارنة بـ 20Q₁ عند النقر بتردد f₂ وفك التشكيل عند f₁. لذلك، إذا أظهر الرنينان عوامل Q متقاربة (على الرغم من أن Q₁ غالباً ما يكون أكبر من Q₂)، فمن المتوقع أن يوفر النقر عند تردد الرنين الأعلى مع فك التشكيل عند تردد الرنين الأدنى حساسية أكبر بنحو 125 ضعفاً. ومع ذلك، في الممارسة العملية، قد لا يكون هذا التكوين ممكناً دائماً بسبب قيود أجهزة القياس. فعلى سبيل المثال، قد يتجاوز تردد الرنين الأعلى (f₂) نطاق تشغيل قطعة البيزو الخاصة بالاهتزاز في وضع النقر. ويمكن أن يحدث هذا في بعض أنظمة AFM عند استخدام المسبار TnIR-D-10 المستخدم في هذا العمل، حيث f₁ ≈ 250 kHz (الشكل 4F) وf₂ أقرب إلى ستة أضعاف f₁ بسبب عدم مثاليات الكابيل، مما يعطي f₂ ≈ 1.5 MHz (الشكل 4G)، بينما Q₁ ≈ 6Q₂. وفي المقابل، عند استخدام مسبار وضع نقر أكثر ليونة بتردد رنين اسمي (f₁) يبلغ ≈75 kHz مثل TnIR-A-10، فإن f₂ المقابلة (والتي يتوقع أن تكون تقريباً 375–450 kHz) تقع ضمن نطاق التشغيل المتاح لقطع بيزو الاهتزاز القياسية في AFM، مما يتيح تشغيل وضع النقر عند الرنين الأعلى. وباختصار، في ظل السلوك المرن المثالي وبافتراض عوامل Q متشابهة لجميع أوضاع الرنين والمسابير، يتوقع أن يوفر النقر عند f₂ مع فك التشكيل عند f₁ حساسية أكبر. ومع ذلك، في الممارسة العملية، يجب تحسين اختيار المسبار وتعيين وضع القيادة مقابل وضع الكشف بناءً على إمكانات الجهاز والتحديد التجريبي لترددات الرنين الفعلية وعوامل Q التي يتم الحصول عليها من منحنيات ضبط الكابيل المقاسة.

بينما يركز هذا البروتوكول على تقنية AFM–IR بنمط النقر المكتشفة بالتردد المتغاير، فعند التشغيل في نمط التلامس المعزز بالرنين في تقنية AFM–IR، اختر مسباراً ينحرف بسهولة أثناء التلامس مع سطح العينة؛ بعبارة أخرى، استخدم مسباراً ليناً بثابت نابض اسمي صغير (<1 N/m). يؤدي ذلك إلى تحسين حساسية الكشف ونسبة الإشارة إلى الضجيج (S:N) مع تقليل مخاطر تلف العينة أو تآكل المسبار الناتج عن تطبيق قوة تصوير مفرطة. سيعرض المسبار ترددات رنين تلامسية متعددة، والتي يجب تقييمها من خلال ضبط نبضي شامل (الشكل 9A). وبوجه عام، ستؤدي القمم ذات الترددات الأعلى إلى زيادة طفيفة في الدقة المكانية (بسبب انخفاض زمن الانتشار الحراري) ولكن على حساب نسبة S:N بسبب زيادة الصلابة النمطية (وبالتالي انخفاض حساسية الكشف)⁸. حدد قمم رنين التلامس الحادة والعالية التي تظهر كلاً من سعة كبيرة نسبياً (أي استجابة IR كبيرة) وعرضاً ضيقاً عند نصف القيمة القصوى (FWHM)، وهو ما يتوافق مع عامل جودة (Q factor) مرتفع (على سبيل المثال، رنينات 177 kHz و 1139 kHz الموضحة في الشكل 9C). يجب أن يرتبط عامل Q عموماً بنسبة S:N النسبية للأطياف المكتسبة باستخدام رنين تلامس معين (الشكل 9D). وتقديم مثال تمثيلي، تم تقييم رنيني تلامس لتوصيف AFM–IR لهياكل PMMA منقوشة باستخدام EBL ومترسبة على رقاقة سيليكون مطلية بالأكسيد. أظهرت الأطياف النقطية المكتسبة من نفس موقع PMMA باستخدام معدلات تكرار نبضات ليزر تبلغ 177 kHz و 1139 kHz، والتي تتوافق مع رنينات ذات Q مرتفع، نسبة S:N جيدة في كلتيهما (الشكل 9B). استُخدمت معدلات تكرار النبضات نفسها لاحقاً لإنشاء خرائط AFM–IR لميزة PMMA (الشكل 9E، 9F)، حيث أدى نمط Q الأعلى (177 kHz) إلى تباين أفضل في خرائط IR على الرغم من أن نسبة S:N للأطياف النقطية المكتسبة باستخدام رنين التلامس 1139 kHz كانت أفضل قليلاً (الشكل 9B، 9D)). وبوجه عام، عند اكتساب أطياف IR أو رسم خرائط لنمط اهتزازي نشط في IR، فإن اختيار معدل تكرار نبضات مرتبط بأعلى عامل Q عملي يزيد من الحساسية ويحسن تباين الصورة.

ربما تكون الخطوة الأكثر أهمية في بروتوكول AFM–IR هذا هي تحسين محاذاة وتركيز ليزر IR على طرف المسبار (الخطوة 4 من البروتوكول)، لأن ذلك يؤثر بشكل مباشر على الحساسية تجاه الاستجابة الضوئية الحرارية للعينة. ونظرًا لأن إشعاع IR غير مرئي للعين البشرية، فإن أنظمة AFM–IR تشتمل عادةً على ليزر محاذاة مرئي يكون على استقامة واحدة مع مسار شعاع IR (الشكل 3) لتسهيل المحاذاة الأولية الخشنة للشعاع. يجب أن يكون الليزر المرئي متمركزًا على الجزء الخلفي من عتلة المسبار مباشرة فوق طرف المسبار في المستوى XY، ويتم تركيزه عن طريق ضبط الموضع Z للبصريات المركزة بالنسبة لسطح العينة وطرف المسبار (الشكل 5A، 5B). ولتقليل الزيغ اللوني، تكون البصريات المركزة عادةً بصريات عاكسة، مثل عاكس مكافئ خارج المحور (OAP) مطلي بالذهب. وحتى بعد تحسين شعاع المحاذاة المرئي، يظل التحسين المباشر لشعاع IR ضروريًا لأن الاختلافات في توجيه الشعاع، والتوازي، وخصائص المصدر (مثل M²) قد تكون موجودة بين الشعاع المرئي وشعاع IR، وبين مصادر IR المختلفة. وكما هو موضح في الخطوة 4 من البروتوكول، بعد اختيار الميزة المطلوبة والرقم الموجي لـ IR المتوقع أن ينتج استجابة ضوئية حرارية قوية، قم بمسح شعاع IR بنظام راستر فوق منطقة تبلغ عدة مئات من الميكرومترات تحيط بموضع المحاذاة المرئي مع مراقبة الإشارة الضوئية الحرارية (الشكل 5C، 5D).

تتميز الاستجابة المثلى للأشعة تحت الحمراء (IR) عادةً بتوزيع إشارة مركزي ودائري تقريبًا يتوافق مع حجم بقعة الأشعة تحت الحمراء المركزة. بالنسبة للنظام المستخدم في هذه الدراسة، فإن قطر البقعة المركزة الظاهري، كما تم قياسه من الاستجابة الضوئية الحرارية التي تم الحصول عليها باستخدام وظيفة Focus Capture في البرنامج (الشكل 5D)، يتراوح عادةً بين 40–50 µm تقريبًا. ورغم صعوبة قياس حجم بقعة الشعاع الفعلي مباشرة عند الواجهة بين الطرف والعينة، فمن الممكن تقدير رتبة مقداره (والتي تعتمد على الطول الموجي) لتقييم نظام التدفق أو كثافة القدرة التقريبية، وتقدير احتمالية حدوث تسخين غير مرغوب فيه للعينة، أو تلفها، أو ظهور تأثيرات غير خطية. واستناداً إلى الطول البؤري البالغ 15 mm لبصرية تركيز الأشعة تحت الحمراء وعرض الشعاع الغاوسي الموازي الداخل البالغ ~5 mm المستخدم في هذا النظام، يُقدر حجم بقعة شعاع الأشعة تحت الحمراء المحدود بالحيود (قطر 1/e²) عند العينة بنحو 20–50 µm عبر النطاق 1000-2000 cm⁻¹ (λ = 5–10)، وذلك اعتماداً على الطول الموجي وجودة الشعاع الداخل (M² ≈ 1–1.3). ويتفق هذا التقدير مع حجم البقعة الظاهري البالغ 40–50 µm الذي لوحظ أثناء عمليات المسح النقطي لمحاذاة شعاع الأشعة تحت الحمراء. وتؤدي الأطوال الموجية الأطول (أرقام موجية أقل) وجودة الشعاع الأقل مثالية (M² > 1) إلى أحجام بقع أكبر. وبالمثل، يصعب قياس كثافة القدرة (أو التدفق، في حالة الليزر النبضي) مباشرة في نظامنا. ومع ذلك، وبافتراض أقصى خرج محدد لليزر وعدم وجود خسائر بصرية (بما في ذلك غياب مرشحات الكثافة المحايدة في مسار الشعاع)، يُقدر أقصى تدفق ممكن عند العينة بأقل من <1 J/cM² لجهاز Carmina OPO وأقل من <800 mJ/cM² لجهاز MIRcat QCL. بالنسبة لـ QCL، تبلغ أقصى كثافة قدرة حوالي 800 kW/cM² عند دورة تشغيل 50% وأقل من 100 kW/cM² عند قدرة 100% لدورات التشغيل التي تقل عن <5% المستخدمة في هذا العمل. وهذه القيم أقل بعدة رتب مقدارية من كثافات القدرة التي تصل إلى عشرات MW/cM² والتي يمكن تحقيقها في مجهر الفلورة البؤري القياسي. وبما أن جهاز Carmina OPO ينتج نبضات بمدد زمنية تبلغ حوالي 3 ps في وضع النطاق الضيق، فقد تكون التأثيرات غير الخطية المرتبطة بذروة التدفق أكثر أهمية من تأثيرات تبديد الحرارة الناتجة عن متوسط القدرة. وفي التجارب المعروضة هنا، تم تخفيف خرج الليزر إلى حوالي 10%–20% من قيمته القصوى، مع أحجام بقع ظاهرية في حدود 50 µm. وتحت هذه الظروف، قُدِّر التدفق بأقل من <10 mJ/cM²، ولم تُلاحظ أي تأثيرات تعتمد على قدرة الليزر.

عند استقصاء نظام مواد جديد أو لم يتم توصيفه مسبقاً، يُنصح أولاً بتحسين محاذاة الأشعة تحت الحمراء (IR) باستخدام مادة مرجعية ذات نطاق امتصاص قوي وموصوف جيداً للأشعة تحت الحمراء. وتشمل الأمثلة المناسبة الأغشية الرقيقة من PMMA أو PET، والتي يمكن ترسيبها بسهولة على ركائز مسطحة (مثل غطاء شريحة المجهر الزجاجي أو رقاقة السيليكون) وتظهر نطاقات امتصاص قوية لمجموعة الكربونيل (C=O) بالقرب من 1720–1730 cm^-1 (الشكل 5E). يساعد هذا النهج في التمييز بين المشكلات المتعلقة بالمحاذاة وبين ضعف امتصاص العينة، ويمكن أن يحسن قابلية التكرار عند نقل ظروف القياس بين العينات. وبالمثل، عند البدء في توصيف عينة جديدة، يُنصح بالبدء بقدرة ساقطة منخفضة (على سبيل المثال، <10%) وزيادة القدرة تدريجياً، مع مراقبة طيف الأشعة تحت الحمراء لرصد أي تغيرات تعتمد على القدرة تتجاوز مجرد تحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S:N) مع زيادة القدرة.

تتمثل إحدى القيود الرئيسية لتقنية AFM–IR في ضرورة أن تُظهر الأنواع الكيميائية المراد توصيفها أو تحديدها أنماط اهتزاز نشطة في الأشعة تحت الحمراء أو سمات امتصاص ضمن النطاق الطيفي المتاح لمصدر الأشعة تحت الحمراء. وبناءً على ذلك، يُنصح أولاً بالحصول على طيف أشعة تحت حمراء تقليدي للعينة (على سبيل المثال، باستخدام ATR FTIR) أو مراجعة الأطياف المنشورة للمواد المكونة المتوقعة للتحقق من وجود أنماط نشطة في الأشعة تحت الحمراء ضمن نطاق العدد الموجي المتاح. وفي حين أن هذه الاعتبارات لا تشكل مشكلة عمومًا لمعظم المواد العضوية، فإن العديد من المعادن والمركبات التي تحتوي على معادن، بما في ذلك ثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية (TMDCs)، تُظهر أنماط اهتزاز تحت حد القطع البالغ 670 cm⁻¹ تقريبًا (15 µm) لمعظم مصادر ليزر MIR المتاحة حاليًا. لذا، وكما ورد في المقدمة، فإن توسيع النطاق الطيفي المتاح لمصادر MIR القابلة للضبط لا يزال مجالاً نشطًا للبحث⁸^,²⁸^,⁵⁰. وفي هذه الأثناء، يمكن أن يؤدي أكسدة هذه المواد أو وظيفية سطحها إلى إدخال مجموعات وظيفية ذات أنماط اهتزاز ذات تردد أعلى تقع ضمن نطاق مصادر MIR الحالية. وهناك اعتبار إضافي وهو أن توليد إشارة AFM–IR وتحويلها يعتمدان على الاستجابة الكهروحرارية للمادة، وتحديدًا التسخين الموضعي الناتج عن امتصاص الأشعة تحت الحمراء وما يلي ذلك من استرخاء نمط الاهتزاز المثار أوليًا من خلال إعادة توزيع طاقة الاهتزاز إلى أنماط ذات تردد أقل (بمقياس زمن دون النانوسانية)، يليه تمدد حراري موضعي يتسبب في إزاحة طرف مسبار AFM وانحراف العارضة. وعادة ما تكون الزيادة في درجة الحرارة الموضعية أقل من 1–10 K، اعتمادًا على مصدر الإثارة (على سبيل المثال، QCL مقابل OPO)⁸، وتكون متناسبة مع معامل امتصاص الأشعة تحت الحمراء للعينة عند الطول الموجي الساقط⁶⁷. ويتم تحديد مقدار التمدد الحراري الناتج (عادةً <1 nm) بواسطة معامل التمدد الحراري للمادة، والذي يكون عمومًا في حدود 10⁻⁴–10^-6 K⁻¹ ويعمل كعامل تضخيم مستقل عن الطول الموجي، ولكنه يعتمد على نوع المادة⁸^,¹⁵. لذلك، فإن المواد ذات معاملات التمدد الحراري الأكبر تنتج عمومًا انحرافات أكبر في العارضة وبالتالي إشارات AFM–IR أقوى، مما يؤدي إلى تحسين حساسية القياس.

ختاماً، وبالإضافة إلى القيود المتعلقة بالنطاق الطيفي، يعتمد أداء AFM–IR بقوة على اختيار المسبار، ومحاذاة الليزر، وتحسين الرنين، والخصائص الحرارية والميكانيكية للعينة. يمكن أن تؤثر التباينات في صلابة العينة، والموصلية الحرارية، ومورفولوجيا السطح على شدة الإشارة وقابلية تكرار القياس، لا سيما أثناء التشغيل في وضع التلامس. كما قد تؤدي قدرة الليزر المفرطة إلى تسخين العينة أو تعديلها، خاصة في المواد البوليمرية الرخوة. علاوة على ذلك، يعد إزالة بخار الماء الجوي وثاني أكسيد الكربون من مسار الشعاع وغلاف الجهاز، إلى جانب مخرجات الليزر عالية الاستقرار، أمراً ضرورياً للتطبيع الصحيح لإشارة AFM–IR كدالة للطول الموجي. وهذا أمر مهم بشكل خاص للعينات ضعيفة الامتصاص⁸، مثل الأفلام الرقيقة المنتجة عن طريق ترسيب الطبقة الذرية (ALD) أو ترسيب الطبقة الجزيئية (MLD). ورغم هذه القيود، يوفر AFM–IR مزيجاً فريداً من الدقة المكانية النانوية، والخصوصية الكيميائية، والارتباط المباشر بتضاريس AFM، وهو ما يستحيل تحقيقه باستخدام المجهر التقليدي للأشعة تحت الحمراء (IR microscopy) وحده. وحتى بالنسبة للمواد الصعبة، فإن أكاسيد السطح، أو الهيدروكسيدات، أو المجموعات الوظيفية الأخرى الناتجة عن التعرض البيئي قد تقدم أنماطاً اهتزازية نشطة بالأشعة تحت الحمراء يمكن اكتشافها. وإذا كانت موجودة فقط أنماط اهتزازية منخفضة التردد تقع خارج نطاق الطول الموجي المتاح لمصدر (أو مصادر) ليزر MIR، فقد تكون التقنيات البديلة مثل TERS أكثر ملاءمة لأنها تستخدم أطوال موجية من الإثارة المرئية⁶²^,⁶³^,⁶⁴^,⁶⁵^,⁶⁶. وبالمثل، إذا كانت الاستجابة الكهروحرارية ضعيفة بسبب التمدد الحراري المحدود، فقد يكون المجهر الضوئي الماسح للمجال القريب من نوع تشتت الأشعة تحت الحمراء (IR s-SNOM) مفضلاً على AFM–IR الكهروحراري، وغالباً ما يمكن تنفيذه على منصات أجهزة مماثلة¹⁴^,⁵¹^,⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵^,⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹^,⁶⁰^,⁶¹^,⁸⁰. وكما أظهرت أمثلة أشباه الموصلات المعروضة هنا، يمكن لـ AFM–IR دعم دراسات تطوير العمليات، وتحليل التلوث، واستقصاءات الترسيب الانتقائي للمساحة، والتحقق من إزالة المقاوم الضوئي، وتوصيف المواد على المقياس النانوي، مما يجعله أداة قيمة لأبحاث أشباه الموصلات والتصنيع المتقدم.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين أي تعارض مصالح للإفصاح عنه.

شكر وتقدير

تم الحصول على نظام Bruker Anasys nanoIR3-s AFM–IR المستخدم في هذا العمل بدعم من M. J. Murdock Charitable Trust (منحة رقم 202014907). يقع النظام في مختبر علوم السطح (SSL) بجامعة بويزي ستيت، وهو جزء من مرفق FaCT Core Facility، RRID: SCR 024733، ويتلقى الدعم من المعاهد الوطنية للصحة (NIH) بموجب برنامج جوائز التطوير المؤسسي (IDeA) التابع للمعهد الوطني للعلوم الطبية العامة من خلال المنحتين رقم P20GM148321 وP20GM103408، حيث تدعم المنحة الأولى جزئياً المؤلفين المشاركين C.M.E. وP.H.D. كما يتلقى N.O. الدعم من مركز المواد والأجهزة فائقة كفاءة الطاقة (SUPREME)، وهو برنامج تابع لمؤسسة أبحاث أشباه الموصلات (SRC) برعاية وكالة مشاريع أبحاث الدفاع المتقدمة (DARPA). وتستند هذه المادة إلى أبحاث برعاية مختبر أبحاث القوات الجوية (AFRL) بموجب الاتفاقية رقم FA8650-20-2-5506 لدعم AFRL. وتصرح الحكومة الأمريكية بإعادة إنتاج وتوزيع النسخ لأغراض حكومية بغض النظر عن أي ملاحظة تتعلق بحقوق الطبع والنشر الواردة فيها. إن الآراء والاستنتاجات الواردة هنا تخص المؤلفين ولا ينبغي تفسيرها على أنها تمثل بالضرورة السياسات أو التأييدات الرسمية، سواء كانت صريحة أو ضمنية، لـ AFRL أو NIH أو الحكومة الأمريكية.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
برمجيات التحكم في مجهر القوة الذرية (AFM)	Bruker	استوديو التحليل (Analysis Studio) الإصدار 3.17	التحكم في الجهاز، تصوير مجهر القوة الذرية، مجهر القوة الذرية–الحصول على الأشعة تحت الحمراء (IR) وتحليل البيانات.
برمجيات معالجة وتحليل صور مجهر القوة الذرية (AFM)	جيويديان (Gwyddion)	V2.69	معالجة وتحليل بيانات مجهر القوة الذرية (AFM).
مجهر القوة الذرية–مجس (مجسات) الأشعة تحت الحمراء، وضع التلامس	Bruker	PR-EX-CNIR-B-10	مجهر القوة الذرية (AFM) بنمط التلامس المعزز بالرنين–مجس الأشعة تحت الحمراء (IR probe)؛ ثابت النابض الاسمي (k) = 0.2 نيوتن/متر، تردد الرنين (f₀(f) = 13 kHz، نصف قطر السن (r) = 20 nm، وعتلة وسن مطليان بالذهب (Au).
مجهر القوة الذرية–مجس(ات) الأشعة تحت الحمراء، وضع النقر	Bruker	PR-EX-TNIR-D-10	مجهر القوة الذرية بنمط النقر (Tapping-mode AFM)–مسبار الأشعة تحت الحمراء (IR probe)؛ ثابت النابض الاسمي (k) = 40 نيوتن/متر، تردد الرنين (f)₀) = 300 كيلو هرتز، ونصف قطر الرأس (r) = 20 نانومتر. عارضة ومجس مكسوان بالذهب لمجهر القوة الذرية (AFM) ذي الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل.–قياسات الأشعة تحت الحمراء (IR). مسبار بديل لوضع النقر: PR-EX-TNIR-A-10 (k = 3 N/m, f₀ = 75 كيلو هرتز، r = 20 نانومتر، وعتلة ورأس مكسوان بالذهب).
قرص عينة معدنية لـ AFM/STM	تيد بيلا (Ted Pella)	16208	متوفر بأحجام (أقطار) متعددة: المنتج رقم 16223 (قطر 6 مم)، و16207 (10 مم)، و16208 (12 مم)، و16218 (15 مم)، و16219 (20 مم).
مجهر القوة الذرية	Bruker (Anasys)	nanoIR3-s	مجهر القوة الذرية (AFM)–نظام الأشعة تحت الحمراء (IR) المستخدم في تصوير التضاريس، والمطيافية، والرسم الخرائطي الكيميائي. يتضمن برنامج Analysis Studio ومضخم القفل (lock-in amplifier) من طراز Zurich Instruments MFLI.
مصدر المذبذب البارامتري الضوئي (OPO) واسع النطاق	بروتين مادة الارتباط بالرنا (APE)	مصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) واسع النطاق والقابل للضبط من Carmina	مصدر واسع النطاق للأشعة تحت الحمراء المتوسطة مع إمكانية ضبط الطول الموجي بدءاً من 2.15–15 μم (~670–4650 سم^-1) وعرض نطاق يبلغ ~20 سم^-1 أو حوالي 170 سم^-1 يعتمد العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) على ما إذا كان التشغيل في وضع النطاق الضيق (بيكو ثانية) أو وضع النطاق العريض (فيمتو ثانية). يدعم مجهر القوة الذرية (AFM)–تشغيل الأشعة تحت الحمراء (النبضية) ومجهر المسح النفقي الضوئي المعتمد على الأشعة تحت الحمراء (شبه مستمر). المخرجات عبارة عن نمط كهرومغناطيسي مستعرض (TEM) مستقطب خطياً.₀₀ الوضع. يُشغل مع تبريد خارجي بالمياه عند 22 درجة مئوية تقريبًا. °ج.
سائل تبريد المبرد/مثبط التآكل	Innovatek	تركيز حماية IP	سائل تبريد للمبردات قائم على الإيثيلين جليكول ومثبط للتآكل، مصمم للخلط بنسبة 1:3 مع الماء المقطر.
هواء جاف مضغوط	Beacon Medaes	SPR30T	غاز تطهير بديل عندما يكون النيتروجين (N2) عالي النقاوة للغاية (99.999%)₂ غير متوفر. يوفر نظام ضاغط هواء خالي من الزيت + مجفف داخلي الإمدادات للمختبرات في جميع أنحاء المبنى.
لاصق سيانوأكريليت (الغراء السريع)	الغوريلا	7500101	مادة لاصقة اختيارية غير موصلة لتثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. غراء فائق (Superglue) مزود بفرشاة وفوهة لتسهيل عملية التطبيق عند تثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. يمكن استخدام أي غراء فائق يعتمد على السيانوأكريليت تقريباً كبديل.
ماء مقطر	ألبرتسونز	لايف بيور (Pure Life)	تُستخدم لتحضير خلائط سائل التبريد للمبرد الخاص بالليزر. يتم شراؤها من متاجر البقالة المحلية، ولكنها متوفرة أيضاً من موردي المستلزمات العلمية والكيميائية.
شريط كربوني مزدوج الوجه	Fisher Scientific	50-285-81	تُستخدم للتثبيت الموصل المؤقت/سهل الإزالة للعينات على أقراص العينات المغناطيسية. أقل موصلية قليلاً/ذات مقاومة ورقية أعلى (50 Ω/في²بدلاً من معجون الفضة. ويمكن أيضاً استخدام ألسنة لاصقة من شريط الكربون ثنائي الوجه. يمكن العثور على جدول مقارنة مفيد على الرابط: https://www.tedpella.com/adhesive_html/conductive-tapes-comparison.aspx.
نظام الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية (EBL)	FEI	Teneo Nabity NPGS	تُستخدم لتشكيل نمط البوليمر (PMMA) لعينة تمثيلية لمعالجة مقاوم الضوء للبوليمرات أشباه الموصلات.
لاصق الإيبوكسي	Loctite	EA E-60HP (237112)	لاصق اختياري غير موصل (عازل) لتثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. خلاط محقنة مزدوج الخراطيش لسهولة التطبيق وضمان النسبة الصحيحة من الراتنج وعامل المعالجة. يمكن استخدام أي مادة إيبوكسي مكونة من جزأين تقريباً، ويمكن استبدالها بناءً على أي اعتبارات إضافية لتوصيف العينة (على سبيل المثال: درجة حرارة التشغيل، وانبعاث الغازات في الفراغ، وما إلى ذلك).
طلاء أظافر اليدين	سالي هانسن (Sally Hansen)	طلاء أظافر Teflon Tuff لمدة 10 أيام	لاصق مؤقت اختياري لتثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. يمكن أيضاً استخدام طلاء الأظافر الشفاف LA Colors Base Coat/Top Coat، علماً بأن أي طلاء أظافر متاح في الصيدليات المحلية سيفي بالغرض.
كحول الإيزوبروبيل (IPA)	Fisher Scientific	A451-4	يُستخدم بتركيز 10% (حجم/حجم) في الماء المقطر كمبرد لمبرد الليزر الكمي ذو التجاويف (QCL) لمنع نمو الطحالب.
نظارات السلامة من الليزر	Thorlabs	LG11(A)	نظارات سلامة ليزر الأشعة تحت الحمراء من زجاج Schott، طراز LG11 أو LG11A.
مضخم القفل (Lock-in amplifier)	Zurich Instruments	مؤشر تدفق السوائل في العضلات (MFLI)	إزالة التضمين والكشف عن الإشارة لمجهر القوة الذرية (AFM)–قياسات الأشعة تحت الحمراء.
إمداد غاز النيتروجين	نوركو (Norco)	SPG TUHPNI	غاز تطهير للأجهزة عالي النقاء للغاية (99.999%)، يُستخدم لإزالة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون من المسار البصري.
أداة إزالة الشوائب بالأكسجين	غلين	جهاز تنظيف البلازما 1000P	تُستخدم في تجارب نموذجية لتصنيع أجهزة معالجة رقاقات أشباه الموصلات.
مقاوم ضوئي	Merck	مقاوم ضوئي AZ nLOF 2020 + مُظهر AZ 726	مقاوم الضوء والمظهر المستخدمان في تصنيع عينة نموذجية لجهاز معالجة رقاقة أشباه الموصلات.
عينة المقاوم الضوئي	صناعة منزلية (جامعة كورنيل)	نظرًا لعدم توفر نص مصدر للترجمة، يرجى تزويدنا بالنص العلمي أو التعليمي المراد ترجمته من الإنجليزية إلى العربية، وسنقوم بتنفيذه وفقًا للمعايير المهنية والأكاديمية المحددة.	تَمَّ تحضير عينة نموذجية لتصنيع جهاز معالجة رقائق أشباه الموصلات باستخدام AZ nLOF 2020/AZ 726 فوق طبقة من GaN المنماة بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD).₂أو₃ غشاء على ركيزة (010) مُطعمة بالحديد (Fe) واستُخدم في مجهر القوة الذرية (AFM)–التوصيف بالأشعة تحت الحمراء.
بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)	كياكو للمواد المتقدمة (Kayaku Advanced Materials)	495 بولي ميثيل ميثاكريلات A6	تُستخدم لتصنيع عينة بوليمرية تمثيلية للنمذجة باستخدام الكتابة المباشرة بالحزمة الإلكترونية (EBL) وفحص مجهر القوة الذرية (AFM) اللاحق.–التوصيف بالأشعة تحت الحمراء.
عينة من بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)	مُعدّ منزلياً (جامعة بويزي ستيت)	نظرًا لعدم توفر نص مصدر، يرجى تزويدنا بالمحتوى المراد ترجمته من الإنجليزية إلى العربية لنتمكن من تقديم الترجمة العلمية المتخصصة وفقًا للمعايير المطلوبة.	عينة بوليمر نموذجية تم تحضيرها باستخدام 495 PMMA A6، وتشكيلها عبر تقنية EBL، واستخدامها في AFM–توصيف بالأشعة تحت الحمراء.
بولي إيثيلين تيريفثالات (PET)	مُصنَّع محلياً (جامعة بويزي ستيت)	لا ينطبق	عينة محاذاة نشطة بالأشعة تحت الحمراء تُستخدم لمحاذاة الليزر وتحسينه. يمكن تصنيعها عن طريق صب PET أو PMMA أو أي بوليمر آخر يحتوي على الكربونيل بطريقة التدوير أو التقطير على غطاء شريحة زجاجي، أو رقاقة سيليكون، أو أي ركيزة أخرى مسطحة بشكل مناسب وعالية الانعكاس ويفضل أن تكون كذلك.
عينة بولي بيرول (PPy)	مُعدّ منزلياً (جامعة ولاية كارولاينا الشمالية)	نظرًا لعدم توفر نص مصدر، يرجى تزويدي بالمحتوى الذي ترغب في ترجمته. سأقوم بترجمته بدقة علمية وبأسلوب أكاديمي رصين يتناسب مع معايير JoVE الموجهة للباحثين والأطباء والطلاب الجامعيين.	عينة نموذجية للترسيب الانتقائي للمناطق المنقوشة (ASD) المستخدمة في مجهر القوة الذرية (AFM)–التوصيف باستخدام الأشعة تحت الحمراء.
ليزر الشلال الكمومي (QCL)	حلول ضوء النهار (Daylight Solutions)	ليزر MIRcat القابل للضبط على نطاق واسع جداً في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة	مصدر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة القابل للضبط بأربع رقائق مثبتة تغطي 2635–3000 سم^-1, 1425–١٨٣٥ سم^-1, 955–١٤٢٥ سم^-1، و 755–١٠٠٥ سم^-1مستقطبة خطياً (>مجهر إلكتروني نافذ (TEM) بنسبة تباين 100:1₀₀ وضع المخرجات بعرض نطاق ترددي قدره &أقل من 1 سم^-1تُشغَّل بنظام تبريد خارجي بالمياه عند درجة حرارة 21 تقريبًا. °ج.
حامل العينة / ظرف التثبيت	Bruker	نظرًا لعدم توفر نص مصدر، يرجى تقديم النص الإنجليزي المراد ترجمته لكي أتمكن من تحويله إلى اللغة العربية وفقًا للمعايير العلمية والأكاديمية المحددة.	تثبيت العينة أثناء مجهر القوة الذرية (AFM)–قياسات الأشعة تحت الحمراء.
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)	FEI	Verios 460L	تُستخدم للتوصيف التكميلي، إذا كان ذلك متاحاً.
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)	Hitachi	SU8700	تُستخدم للتوصيف التكميلي، إذا كان ذلك متاحاً.
ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)₂رقاقة سيليكون مطلية بطبقة شاملة	Micron Technology	لا ينطبق	ركيزة رقاقة سيليكون ممثلة مطلية بالأكسيد تُستخدم لتصنيع عينة PMMA من أجل مجهر القوة الذرية (AFM)–قياسات الأشعة تحت الحمراء. رقاقة سيليكون غير مشوبة مع أكسيد حراري بسمك 100 نانومتر.
رقاقة سيليكون منقوشة من نيتريد السيليكون / ثاني أكسيد السيليكون	شركة طوكيو إلكترون المحدودة (TEL)	لم يتم توفير نص للمراجعة أو الترجمة. يرجى تزويدي بالنص الإنجليزي الذي ترغب في ترجمته إلى العربية.	عينة ممثلة لرقاقة أشباه موصلات منقوشة مستخدمة في مجهر القوة الذرية (AFM)–التوصيف بالأشعة تحت الحمراء.
معجون الفضة	تيد بيلا	16062	لاصق موصل سريع الجفاف لتثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. وتشمل البدائل لطلاء Pelco الفضي الموصل (المنتج رقم 16062) المنتج رقم 16031 (طلاء Pelco الفضي السائل الموصل القائم على الفضة الغروية). يمكن العثور على جدول مقارنة مفيد على الرابط https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx.
برمجيات معالجة وعرض الأطياف	OriginLab	Origin 10.0.5.157	معالجة ورسم الأطياف بالأشعة تحت الحمراء.
ملقط	Sigma-Aldrich	ملقط تيتانيوم	التعامل مع المسبار والعينة.
طاولة بصرية عازلة للاهتزازات	نيوبورت	Integrity 2 VCS	طاولة بصرية تُستخدم لتقليل الاهتزازات الميكانيكية أثناء مجهر القوة الذرية (AFM)–قياسات الأشعة تحت الحمراء.
مبرد مياه	ThermoTek	T257P-20	مبرد تدويري يستخدم لتبريد مصادر ليزر الأشعة تحت الحمراء. يجب أن يتبع سائل التبريد وظروف التشغيل توصيات الشركة المصنعة.

المراجع

Eaton P, West P. Atomic Force Microscopy. Oxford University Press; Oxford; 2010.
Voigtländer B. Atomic Force Microscopy. 2nd ed. Springer; Cham; 2019.
Sarid D. Scanning Force Microscopy: With Applications to Electric, Magnetic and Atomic Forces. Oxford University Press; Oxford; 1994.
De Wolf P, Brazel E, Erickson A. Electrical characterization of semiconductor materials and devices using scanning probe microscopy. Mater Sci Semicond Process. 2001;4(1-3):71-76.
Orji NG, Dixson RG. Metrology and diagnostic techniques for nanoelectronics. In: Metrology and Diagnostic Techniques for Nanoelectronics. Pan Stanford; 2017.
Dazzi A, et al. AFM-IR: combining atomic force microscopy and infrared spectroscopy for nanoscale chemical characterization. Appl Spectrosc. 2012;66(12):1365-1384.
Dazzi A, Prater CB. AFM-IR: Technology and applications in nanoscale infrared spectroscopy and chemical imaging. Chem Rev. 2017;117(7):5146-5173.
Schwartz JJ, Jakob DS, Centrone A. A guide to nanoscale IR spectroscopy: resonance enhanced transduction in contact and tapping mode AFM-IR. Chem Soc Rev. 2022;51(13):5248-5267.
Dazzi A, Prazeres R, Glotin F, Ortega JM. Local infrared microspectroscopy with subwavelength spatial resolution with an atomic force microscope tip used as a photothermal sensor. Opt Lett. 2005;30(18):2388-2390.
Hill GA, et al. Submicrometer infrared surface imaging using a scanning-probe microscope and an optical parametric oscillator laser. Opt Lett. 2009;34(4):431-433.
Lu F, Belkin MA. Infrared absorption nano-spectroscopy using sample photoexpansion induced by tunable quantum cascade lasers. Opt Express. 2011;19(21):19942-19947.
Felts JR, et al. Nanometer-scale infrared spectroscopy of heterogeneous polymer nanostructures fabricated by tip-based nanofabrication. ACS Nano. 2012;6(9):8015-8021.
Marcott C, et al. Nanoscale IR spectroscopy: AFM-IR—a new technique. Spectroscopy. 2012;27(2):60-65.
Centrone A. Infrared imaging and spectroscopy beyond the diffraction limit. Annu Rev Anal Chem. 2015;8:101-126.
Kurouski D, Dazzi A, Zenobi R, Centrone A. Infrared and Raman chemical imaging and spectroscopy at the nanoscale. Chem Soc Rev. 2020;49(11):3315-3347.
Mathurin J, et al. Photothermal AFM-IR spectroscopy and imaging: Status, challenges, and trends. J Appl Phys. 2022;131(1).
Bruker Corporation. Application Note #151: 2D Materials Characterization Using Nanoscale FTIR Spectroscopy and Near-field Imaging. Bruker Corporation; 2019.
Phillips C, et al. Application Note #209: Photothermal AFM-IR for Semiconductor Materials and Devices. Bruker Corporation; 2025.
Kjoller K, et al. High-sensitivity nanometer-scale infrared spectroscopy using a contact mode microcantilever with an internal resonator paddle. Nanotechnology. 2010;21(18):185705.
Prater C, et al. Nanoscale infrared spectroscopy of materials by atomic force microscopy. Microsc Anal. 2010;138(5).
Lu F, Jin MZ, Belkin MA. Tip-enhanced infrared nanospectroscopy via molecular expansion force detection. Nat Photonics. 2014;8(4):307-312.
Hammiche A, et al. Photothermal FT-IR spectroscopy: A step towards FT-IR microscopy at a resolution better than the diffraction limit. Appl Spectrosc. 1999;53(7):810-815.
Anderson MS. Infrared spectroscopy with an atomic force microscope. Appl Spectrosc. 2000;54(3):349-352.
Bozec L, et al. Localized photothermal infrared spectroscopy using a proximal probe. J Appl Phys. 2001;90(10):5159-5165.
Tuteja M, Kang M, Leal C, Centrone A. Nanoscale partitioning of paclitaxel in hybrid lipid-polymer membranes. Analyst. 2018;143(16):3808-3813.
Mathurin J, et al. How to unravel the chemical structure and component localization of individual drug-loaded polymeric nanoparticles by using tapping AFM-IR. Analyst. 2018;143(24):5940-5949.
Reading M, et al. Thermally assisted nanosampling and analysis using micro-IR spectroscopy and other analytical methods. Vibr Spectrosc. 2002;29(1-2):257-260.
Katzenmeyer AM, Aksyuk V, Centrone A. Nanoscale infrared spectroscopy: improving the spectral range of the photothermal induced resonance technique. Anal Chem. 2013;85(4):1972-1979.
Hammiche A, et al. Progress in near-field photothermal infra-red microspectroscopy. J Microsc. 2004;213(2):129-134.
Dazzi A, Prazeres R, Glotin F, Ortega JM. Analysis of nano-chemical mapping performed by an AFM-based ("AFMIR") acousto-optic technique. Ultramicroscopy. 2007;107(12):1194-1200.
Lahiri B, Holland G, Centrone A. Chemical imaging beyond the diffraction limit: experimental validation of the PTIR technique. Small. 2013;9(3):439-445.
Dazzi A. Infrared nanospectroscopy. In: Biomedical Vibrational Spectroscopy. Wiley; 2008:291-313.
Custovic I, et al. Infrared nanospectroscopic imaging of DNA molecules on mica surface. Sci Rep. 2022;12(1):18972.
Van de Driessche AC, et al. AFM-IR for nanoscale chemical characterization in life sciences: Recent developments and future directions. ACS Meas Sci Au. 2023;3(5):301-314.
Rizevsky S, et al. Characterization of substrates and surface-enhancement in atomic force microscopy infrared analysis of amyloid aggregates. J Phys Chem C. 2022;126(8):4157-4162.
Ruggeri FS, et al. Single molecule secondary structure determination of proteins through infrared absorption nanospectroscopy. Nat Commun. 2020;11(1):2945.
Wieland K, et al. Nanoscale chemical imaging of individual chemotherapeutic cytarabine-loaded liposomal nanocarriers. Nano Res. 2019;12(1):197-203.
Morsch S, Lyon S, Edmondson S, Gibbon S. Reflectance in AFM-IR: Implications for interpretation and remote analysis of the buried interface. Anal Chem. 2020;92(12):8117-8124.
Wang L, et al. Generalized heterodyne configurations for photoinduced force microscopy. Anal Chem. 2019;91(20):13251-13259.
Bartlam C, et al. Nanoscale infrared identification and mapping of chemical functional groups on graphene. Carbon. 2018;139:317-324.
Hamadeh A, et al. Toward conformational identification of molecules in 2D and 3D self-assemblies on surfaces. Commun Chem. 2023;6(1):246.
Liu ZL, et al. Direct observation of oxygen configuration on individual graphene oxide sheets. Carbon. 2018;127:141-148.
Rosenberger MR, et al. Measuring individual carbon nanotubes and single graphene sheets using atomic force microscope infrared spectroscopy. Nanotechnology. 2017;28(35):355707.
Thelven JM, et al. "Three-Color" chemical selectivity between oxide, nitride, and silicon: Area-selective deposition of metal oxide and polymer on SiN and Si-H versus SiO2. Adv Mater Technol. 2025;10(23).
Pieczulewski N, et al. Achieving 0.05 Ω-mm contact resistance in non-alloyed Ti/Au ohmics to β-Ga2O3 by removing surface carbon. APL Mater. 2025;13(6):061122.
Lo MKF, et al. Nanoscale chemical-mechanical characterization of nanoelectronic low-dielectric/Cu interconnects. ECS J Solid State Sci Technol. 2016;5(4):P3018-P3024.
Luo W, et al. Nonlinear nano-imaging of interlayer coupling in 2D graphene-semiconductor heterostructures. Small. 2024;20(24):e2307345.
Smith KA, et al. Infrared nano-spectroscopy of ferroelastic domain walls in hybrid improper ferroelectric Ca3Ti2O7. Nat Commun. 2019;10(1):5235.
Wilcken R, et al. Correlated nanoimaging of structure and dynamics of cation-polaron coupling in hybrid perovskites. Sci Adv. 2025;11(9):eads3706.
Katzenmeyer AM, Holland G, Kjoller K, Centrone A. Absorption spectroscopy and imaging from the visible through mid-infrared with 20 nm resolution. Anal Chem. 2015;87(6):3154-3159.
Zenhausern F, O'Boyle MP, Wickramasinghe HK. Apertureless near-field optical microscope. Appl Phys Lett. 1994;65(13):1623-1625.
Piednoir A, Creuzet F, Licoppe C, Ortega JM. Locally resolved infrared spectroscopy. Ultramicroscopy. 1995;57(2):282-286.
Cricenti A, et al. Free-electron-laser near-field nanospectroscopy. Appl Phys Lett. 1998;73(2):151-153.
Hillenbrand R, Taubner T, Keilmann F. Phonon-enhanced light-matter interaction at the nanometre scale. Nature. 2002;418(6894):159-162.
Brehm M, Taubner T, Hillenbrand R, Keilmann F. Infrared spectroscopic mapping of single nanoparticles and viruses at nanoscale resolution. Nano Lett. 2006;6(7):1307-1310.
Huber AJ, et al. Simultaneous IR material recognition and conductivity mapping by nanoscale near-field microscopy. Adv Mater. 2007;19(17):2209-2212.
Amarie S, Ganz T, Keilmann F. Mid-infrared near-field spectroscopy. Opt Express. 2009;17(24):21794-21801.
Huth F, et al. Infrared-spectroscopic nanoimaging with a thermal source. Nat Mater. 2011;10(5):352-356.
Govyadinov AA, et al. Quantitative measurement of local infrared absorption and dielectric function with tip-enhanced near-field microscopy. J Phys Chem Lett. 2013;4(9):1526-1531.
Muller EA, Pollard B, Raschke MB. Infrared chemical nano-imaging: Accessing structure, coupling, and dynamics on molecular length scales. J Phys Chem Lett. 2015;6(7):1275-1284.
Mastel S, et al. Nanoscale-resolved chemical identification of thin organic films using infrared near-field spectroscopy and standard Fourier transform infrared references. Appl Phys Lett. 2015;106(2).
Anderson MS. Locally enhanced Raman spectroscopy with an atomic force microscope. Appl Phys Lett. 2000;76(21):3130-3132.
Hayazawa N, Inouye Y, Sekkat Z, Kawata S. Metallized tip amplification of near-field Raman scattering. Opt Commun. 2000;183(1):333-336.
Stöckle RM, Suh YD, Deckert V, Zenobi R. Nanoscale chemical analysis by tip-enhanced Raman spectroscopy. Chem Phys Lett. 2000;318(1):131-136.
Pettinger B, Schambach P, Villagómez CJ, Scott N. Tip-enhanced Raman spectroscopy: Near-fields acting on a few molecules. Annu Rev Phys Chem. 2012;63:379-399.
Sonntag MD, et al. Recent advances in tip-enhanced Raman spectroscopy. J Phys Chem Lett. 2014;5(18):3125-3130.
Dazzi A, Glotin F, Carminati R. Theory of infrared nanospectroscopy by photothermal induced resonance. J Appl Phys. 2010;107(12).
Cho H, et al. Improved atomic force microscope infrared spectroscopy for rapid nanometer-scale chemical identification. Nanotechnology. 2013;24(44):444007.
Kenkel S, Mittal S, Bhargava R. Closed-loop atomic force microscopy-infrared spectroscopic imaging for nanoscale molecular characterization. Nat Commun. 2020;11(1):3225.
Verbiest GJ, Rost MJ. Beating beats mixing in heterodyne detection schemes. Nat Commun. 2015;6(1):6444.
Ma X, et al. Revealing the distribution of metal carboxylates in oil paint from the micro- to nanoscale. Angew Chem Int Ed. 2019;58(34):11652-11656.
Mathurin J, Deniset-Besseau A, Dazzi A. Advanced infrared nanospectroscopy using photothermal induced resonance technique, AFMIR: New approach using tapping mode. Acta Phys Pol A. 2020;137(1):29-32.
Ramer G, Aksyuk VA, Centrone A. Quantitative chemical analysis at the nanoscale using the photothermal induced resonance technique. Anal Chem. 2017;89(24):13524-13531.
Gong L, et al. Polymorphic distribution in individual electrospun poly[(R)-3-hydroxybutyrate-co-(R)-3-hydroxyhexanoate] (PHBHx) nanofibers. Macromolecules. 2017;50(14):5510-5517.
Hinrichs K, Shaykhutdinov T. Polarization-dependent atomic force microscopy-infrared spectroscopy (AFM-IR): Infrared nanopolarimetric analysis of structure and anisotropy of thin films and surfaces. Appl Spectrosc. 2018;72(6):817-832.
Wang Z, et al. Molecular orientation in individual electrospun nanofibers studied by polarized AFM-IR. Macromolecules. 2019;52(24):9639-9645.
Gersten J, Nitzan A. Electromagnetic theory of enhanced Raman scattering by molecules adsorbed on rough surfaces. J Chem Phys. 1980;73(7):3023-3037.
Kelly KL, Coronado E, Zhao LL, Schatz GC. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J Phys Chem B. 2003;107(3):668-677.
Hao E, Schatz GC. Electromagnetic fields around silver nanoparticles and dimers. J Chem Phys. 2004;120(1):357-366.
Willets KA, Van Duyne RP. Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing. Annu Rev Phys Chem. 2007;58:267-297.
Urbieta M, et al. Atomic-scale lightning rod effect in plasmonic picocavities: A classical view to a quantum effect. ACS Nano. 2018;12(1):585-595.
Wallace WE. Infrared spectra. In: Lindstrom PJ, Mallard WG, eds. NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology. Available at: https://doi.org/10.18434/T4D303.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

AFM IR AFM IR AFM

تم نشر هذه المقالة

الفيديو قريباً

أبقِني على اطلاع: