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

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 إجراء الفحص في الظروف المحيطة، أو في بيئة غرفة نظيفة، أو داخل صندوق قفازات ذي غلاف خامل، أو تحت تفريغ هوائي. وتجمع أنماط AFM المتاحة بين رسم الخرائط الطبوغرافية بمقياس النانومتر لمواد وأجهزة أشباه الموصلات مع قياسات متزامنة في الموقع للخصائص الكهربائية والمغناطيسية والميكانيكية والكهروضغطية (أي الكهروميكانيكية) والحرارية، بما في ذلك جهد السطح، والمقاومة الكهربائية، وتحديد توزيع 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 والطول الموجي لضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (~2.5–25 µm أو 400–4,000 cm⁻¹)⁶^,⁷^,⁸. وقد عالج تطوير تقنية AFM–IR الضوئية الحرارية⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³، التي تدمج AFM مع مجهر ومطياف الأشعة تحت الحمراء للمجال القريب من أجل التحديد الكيميائي بمقياس النانومتر، هذا القصور⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. ويحقق AFM–IR ذلك عن طريق تركيز مصدر للأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) على رأس مسبار AFM نانوي (~20 nm) يكون مغلفاً بالمعدن عادةً، مما يسمح بالاستحواذ المتزامن في الموقع على بيانات طبوغرافيا AFM وبيانات مطيافية IR (الشكل 1)⁶^,⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹.

figure-introduction-1
الشكل 1. رسم تخطيطي لمجهر القوة الذرية الضوئي الحراري-مطيافية الأشعة تحت الحمراء (AFM–IR). يعمل شعاع الأشعة تحت الحمراء (IR) النبضي المركّز على تحفيز تمدد ضوئي حراري موضعي لسطح العينة. ويتم الكشف عن تذبذب الكابول (cantilever) الناتج باستخدام ليزر انحراف AFM وثنائي ضوئي حساس للموضع، مما يتيح الحصول المتزامن على تضاريس العينة والمعلومات الكيميائية على مقياس النانو. تم الاقتباس بإذن من الشكل 1A في Dazzi and Prater⁷. حقوق الطبع والنشر 2017 للجمعية الكيميائية الأمريكية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

اعتمدت التطبيقات الأولية لتقنية AFM–IR على مصدر IR عريض النطاق، وأحياناً بالاقتران مع مسبار متخصص حساس حرارياً بدلاً من عارضة AFM القياسية²²^,²³. ولاحقاً، اعتمد الباحثون مصادر IR نبضية²⁴، والتي توفر قدرات ذروة أعلى، وتسمح في حالة معدلات التكرار القابلة للضبط بتعزيز الرنين (RE) لاستجابة العارضة تجاه الإثارة الضوئية الحرارية للعينة¹¹^,¹⁵^,²⁵^,²⁶، مما أدى إلى الوصول بحساسية الكشف إلى مستوى الطبقة الأحادية²¹. وقد استخدم أول نظام AFM–IR أثبت دقة IR نانوية ليزر الإلكترون الحر وإضاءة الموجة المتلاشية من الأسفل إلى الأعلى عبر ركيزة نافذة للأشعة IR⁹. وبعد فترة وجيزة، تم إدخال الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل²⁷ باستخدام مذبذب بارامتري بصري (OPO) قابل لضبط الطول الموجي²⁴^,²⁸ أو مصدر ليزر مكتبي، مثل ليزر الشلال الكمي (QCL)¹¹^,²¹¹⁰. يشكل هذا التكوين أساس معظم أنظمة AFM–IR التجارية الحالية لأن الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل تبسط تحضير العينات من خلال إلغاء الحاجة إلى ركيزة نافذة للأشعة IR وتسمح بتحليل العينات الأكثر سمكاً⁷^,⁸^,¹⁵^,¹⁶. وقد مكنت التطويرات اللاحقة من الحصول على أطياف IR في مواقع محددة على سطح العينة ورسم خرائط كيميائية لأنماط اهتزازية محددة⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁵^,²⁴^,²⁹^,³⁰^,³¹^,³². ونتيجة لذلك، تم تطبيق AFM–IR في مجموعة واسعة من المجالات، بما في ذلك البيولوجيا وإيصال 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 المجهري 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 مرناً أو غير مرن، على التوالي. في المقابل، يستخدم AFM–IR عارضة مسبار AFM لتحويل وتضخيم التمدد الضوئي الحراري لسطح العينة عقب الإثارة بالأشعة تحت الحمراء (IR)، وذلك من خلال عامل الجودة (Q factor) لرنين العارضة⁶^,⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,³¹^,⁶⁷. ويتم الكشف عن تذبذب المسبار الناتج عن طريق قياس حركة ليزر انحراف AFM، المنعكس من الجزء الخلفي للعارضة، على الكاشف الحساس للموضع (الشكل 1). وبما أن 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. فبعد إثارة العينة بنبضة IR، تضمحل استجابة المسبار للتمدد الضوئي الحراري للعينة بسرعة على مقياس زمني يتراوح من النانوشانية إلى الميكروشانية، 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 التخميد (ringdown)، عند كل نقطة بيانات (أي بكسل صورة AFM) من خلال مرشح تمرير نطاق ترددي متمركز حول تردد رنين تلامس العارضة، 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 يدمج إشارة التمدد الضوئي الحراري مع الاختلافات 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 نبضات الليزر ليتطابق مع تردد رنين تلامس المسبار، مما يسبب تضخيماً في الطور لرنين العارضة الميكانيكي وتحويل تخميد الإشارة إلى تذبذب موجة 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 العارضة⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²¹. ويسمح دمج حلقة مغلقة الطور (PLL) بمراقبة رنين العارضة باستمرار ومطابقة معدل تكرار نبضات الليزر مع تردد الرنين المتغير أثناء رسم خريطة لاستجابة العينة عند عدد موجي IR محدد. ويساعد ذلك في ضمان بقاء إشارة RE AFM–IR المقاسة متناسبة مع معامل امتصاص IR للوضع الاهتزازي، وبشكل مستقل عن الاختلافات في الخواص الميكانيكية، وبالتالي تردد رنين التلامس، عبر سطح العينة⁸^,¹⁵^,¹⁶^,³⁷^,⁶⁹.

figure-introduction-2
الشكل 2. استجابات تمثيلية في المجال الزمني والمجال الترددي تم الحصول عليها باستخدام أنماط تشغيل مختلفة لتقنية AFM–IR. (A) استجابة التلاشي الحلقي للعتلة في المجال الزمني بعد الإثارة الضوئية الحرارية لعينة أثناء تقنية AFM–IR بنمط التلامس. (B) تحويل فوريه السريع (FFT) لإشارة التلاشي الحلقي في (a)، مما يظهر أنماط رنين تلامس متعددة. (C) استجابة في المجال الزمني تم الحصول عليها أثناء تقنية AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين باستخدام عتلة لينة (k = 0.3 N/m). (D) تحويل FFT للإشارة المعززة بالرنين يظهر تضخيماً عند رنين التلامس المحدد (365 kHz)، وهو ما يتوافق مع معدل تكرار نبضات الليزر. أما القمم عند 730 و 1095 و 1460 kHz تقريباً فهي تتوافق مع التوافقيات من رتب أعلى. (E) إشارة AFM–IR بنمط النقر في المجال الزمني تم الحصول عليها باستخدام عتلة صلبة (k = 40 N/m). (F) تحويل FFT لاستجابة AFM–IR بنمط النقر. تم إجراء الحصول على التضاريس باستخدام رنين القيادة عند 250 kHz تقريباً، بينما تم اكتشاف الاستجابة الضوئية الحرارية عند 1.55 MHz تقريباً باستخدام معدل تكرار نبضات غير متجانس يتوافق مع تردد الفرق (f₂ − f₁) البالغ 1.3 MHz تقريباً. اللوحتان (A, B) مقتبستان 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 مكن من الدمج بين مجهر القوة الذرية بنمط النقر (tapping-mode AFM) وتقنية AFM–IR لتصوير العينات اللينة، أو اللزجة، أو ضعيفة الالتصاق⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁵^,²⁶^,³⁷^,⁷¹. في نمط النقر، والذي يُشار إليه أيضاً بنمط التلامس المتقطع، يتم تذبذب المسبار عند تردد رنين الكابول (cantilever) أو بالقرب منه لإحداث تلامس متقطع مع سطح العينة، مما يقلل من القوى الجانبية ويقلص احتمالية تلف العينة و/أو المسبار. وبالمقارنة مع التشغيل بنمط التلامس، فإن نمط النقر مفيد بشكل خاص للعينات اللينة ميكانيكياً، أو ضعيفة الالتصاق، أو المعرضة لتعديل السطح أثناء التصوير⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁵^,²⁶^,³⁷^,⁷¹. وفي تقنية AFM–IR بنمط النقر، يتم ضبط معدل تكرار نبض الليزر ليكون مساوياً للفرق بين ترددي رنين للكابول، بحيث يكون f_laser = Δf = f₂ − f₁. يُستخدم أحد ترددي الرنين للحصول على تضاريس العينة (f_tap)، بينما يراقب تردد الرنين الثاني الاستجابة الضوئية الحرارية (f_demod) الناتجة عن امتصاص الأشعة تحت الحمراء (IR) (الشكل 2E، 2F)⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷¹^,⁷². وعلى غرار تقنية AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين، يمكن استخدام حلقة مغلقة لضبط الطور (PLL) للحفاظ على التزامن بين معدل تكرار نبض الليزر و Δf أثناء المسح، وذلك للتعويض عن الإزاحات الصغيرة في ترددات رنين الكابول الناتجة عن التباينات في جهد التفاعل بين الرأس والعينة عبر السطح⁸^,¹⁶. تعتمد استجابة الكابول (سعة التذبذب، Z) في تقنية AFM–IR بنمط النقر المكتشف غير المتجانس على f_tap، و f_demod، و Δf، وعامل الجودة (Q factor) لرنين إزالة التعديل المختار⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹:

figure-introduction-3

وبالتالي، عندما تكون العوامل الأخرى قابلة للمقارنة (على سبيل المثال، عوامل Q مماثلة لكل من f₁ وf₂)، يمكن تحقيق تحسن في نسبة الإشارة إلى الضجيج (S:N) من خلال 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 نظام AFM–IR في وضع النقر حساسية منخفضة تجاه التباينات في الخصائص 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 بنمط النقر (tapping-mode AFM–IR) لتقييم عمليات الترسيب وإزالة المواد على الرقائق المنقوشة⁴⁴^,⁴⁵، وتحديد مواقع النواة غير المرغوب فيها⁴⁴، والكشف عن بقايا المقاوم الضوئي⁴⁵، وتحسين ظروف المعالجة لمنصات الاتصال في أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة⁴⁵. يصف البروتوكول المعروض هنا تقنية AFM–IR بنمط النقر والكشف غير المتجانس (heterodyne-detected)، ويوضح تطبيقها للحصول على أطياف IR نانوية في مواقع مختارة، وكذلك لرسم خريطة للتوزيع المكاني للأنواع الكيميائية من خلال التصوير بوضع الاهتزاز عند أعداد موجية ثابتة للاشعة تحت الحمراء. وعلى الرغم من أن تقنية AFM–IR يمكنها أيضاً توفير معلومات تتعلق بالتوجيه الجزيئي من خلال قياسات تعتمد على الاستقطاب⁸^,¹⁶^,⁷³^,⁷⁴^,⁷⁵^,⁷⁶، إلا أن هذه التطبيقات تخرج عن نطاق البروتوكول الحالي والأمثلة التمثيلية المقدمة.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لا يتضمن هذا البروتوكول استخدام خطوط خلوية أو عينات من الحيوانات أو البشر. يرجى ملاحظة أنه على الرغم من مناقشة أنماط تنفيذ أخرى لتقنية AFM–IR، إلا أن هذا البروتوكول مخصص لتقنية AFM–IR الضوئية الحرارية بنمط النقر المكتشفة بالتردد المتغاير (heterodyne-detected tapping-mode photothermal AFM–IR).

1. إعداد التجربة

ملاحظة: صُمم بروتوكول مجهر القوة الذرية المرتبط بالأشعة تحت الحمراء (AFM–IR) بنمط النقر ليكون عاماً قدر الإمكان؛ ومع ذلك، فإن الإعداد والتشغيل سيعتمدان على الشركة المصنعة وطراز النظام المستخدم، بما في ذلك الأجهزة الملحقة (مثل مصدر أو مصادر الأشعة تحت الحمراء، ومنصة مجهر القوة الذرية، والأجهزة ذات الصلة) والبرمجيات. يرجى الرجوع إلى الشكل 3 لمخطط كتلي تخطيطي عام لنظام AFM-IR نموذجي. أما النظام المستخدم في هذه الدراسة فمدرج في الـ جدول المواد.

figure-protocol-1
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 الصمام 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 L/min تقريبًا. استخدم N₂ عالي النقاء (99.999%) كغاز تطهير عند توفره، أو هواءً جافًا مضغوطًا في حال عدم توفر N₂⁸.
ملاحظة: يعمل التطهير على إزاحة H₂O وCO₂ الجويين اللذين يمتصان في المنطقة الطيفية للأشعة تحت الحمراء. إن الحفاظ على معدل تدفق منخفض لغاز التطهير أثناء إعداد الجهاز يقلل من وقت التطهير المطلوب مباشرة قبل الحصول على البيانات (انظر الخطوة 1.25).
راجع دليل مستخدم الليزر للتأكد من تركيبة سائل التبريد المطلوبة لمبرد الليزر.
ملاحظة: يعمل مصدر المذبذب البارامتري البصري (OPO) واسع النطاق المستخدم في هذه الدراسة (APE Carmina) عند درجة حرارة 22°C باستخدام خليط بنسبة 3:1 من الماء المقطر ومركز Innovatek Protect IP. أما ليزر الشلال الكمي (QCL) من طراز MIRcat فيعمل عند 21°C باستخدام كحول أيزوبروبيل بنسبة 10% في ماء مقطر. يتمتع كلا المبردين بسعة 450 mL تقريبًا، ومعدل تدفق أقصى يبلغ 4 L/min، واستقرار اسمي في درجة الحرارة يبلغ ±0.1°C. وأثناء قياسات AFM–IR، يعمل كلا المبردين بقدرة دفع للمضخة بنسبة 20%، ويحققان عادةً استقرارًا في درجة الحرارة يتراوح بين ±0.01°C إلى ±0.03°C على مدار 15 min إلى 1 h.
تحقق من دوران سائل التبريد المناسب قبل تشغيل مصدر الأشعة تحت الحمراء.
ملاحظة: غالبًا ما تتطلب الليزرات مبردات لإزالة الحرارة الزائدة والحفاظ على درجة حرارة تشغيل مستقرة لضمان استقرار قدرة المخرج، والطول الموجي، وجودة النمط، وتوجيه الشعاع. وتساعد سوائل تبريد المبردات في الحفاظ على عمر المكونات عن طريق منع التآكل و/أو نمو الطحالب.
قم بتشغيل وحدة تزويد الطاقة لليزر، ووحدة تحكم AFM، ومصدر (أو مصادر) الأشعة تحت الحمراء، والأجهزة المرتبطة بها (مثل مبردات الليزر ومضخمات القفل - lock-in amplifiers).
اترك جميع المعدات لتسخن وفقًا لتوصيات الشركة المصنعة (عادةً من 15 إلى 60 min).
قم بتشغيل برنامج التحكم في AFM من إصدار Analysis Studio v3.17.
افتح قائمة تكوين الأجهزة (Hardware Configuration) من القائمة المنسدلة للإعداد (Setup).
اختر تكوين الجهاز المناسب لنظام AFM–IR من القائمة المنسدلة للتكوين النشط (Active Config) لتحميل ملف تكوين النظام الصحيح.
انقر على أيقونة التهيئة (Initialize) وتأكد من الاتصال بين مصدر (أو مصادر) الأشعة تحت الحمراء، ووحدة تحكم AFM، ومضخم (أو مضخمات) القفل من خلال التحقق من عدم ظهور أي رسائل خطأ عند بدء التشغيل.
ملاحظة: قد يتطلب التكوين غير الصحيح مساعدة من مورد الجهاز.
اختر التكوين التجريبي المناسب للقياس المخطط له (مثل نمط Tapping AFM–IR Mode) من القائمة المنسدلة في نافذة مسح AFM.
اختر أيقونة "جديد" (New) في شريط أدوات Analysis Studio لإنشاء مشروع جديد حيث سيتم حفظ جميع البيانات. استخدم خيار "حفظ باسم" (Save As) في قائمة ملف (File) لتحديد اسم ملف المشروع المطلوب.
اختر مسبار AFM–IR متوافقًا مع العينة، وهندسة الإضاءة، ونمط التصوير. استخدم مسبار AFM–IR من طراز TnIR-D-10 مطلي بالذهب وذي صلابة عالية لنمط النقر (tapping-mode) لمعظم قياسات AFM–IR بنمط النقر المكتشفة بطريقة الهيترودين (heterodyne-detected) على نظام Bruker nanoIR3 AFM–IR.
ملاحظة: يتميز مسبار AFM–IR بنمط النقر ذو الصلابة العالية بنصف قطر رأس اسمي يبلغ 20 nm، وثابت زنبركي يبلغ 42 N/m، وتردد رنين يبلغ 320 kHz. ويمكن استخدام مسبار AFM–IR بنمط النقر من طراز TnIR-A-10 مطلي بالذهب وذي صلابة منخفضة للعينات الأكثر ليونة عندما تكون هناك حاجة إلى صلابة أقل للعتلة. يتميز مسبار AFM–IR بنمط النقر ذو الصلابة المنخفضة بنصف قطر رأس اسمي يبلغ 20 nm، وثابت زنبركي يبلغ 3 N/m، وتردد رنين يبلغ 75 kHz. راجع قسم المناقشة لمزيد من التفاصيل بشأن اختيار المسبار المناسب والاعتبارات ذات الصلة.
قم بتركيب المسبار المختار على رأس AFM (الشكل 4A، 4B).
ملاحظة: تحتوي مسابير AFM–IR المستخدمة للإضاءة من الأعلى إلى الأسفل عادةً على طبقة رقيقة من Au أو Pt على العتلة والركيزة. تقلل هذه الطبقة من امتصاص المسبار للأشعة تحت الحمراء، وتنتج استجابة طيفية أكثر تسطحًا، وتعزز المجال الكهربائي المحلي عند قمة المسبار من خلال تأثير مانعة الصواعق (lightning-rod effect)، مما يزيد من التمركز والتضخيم المستقل عن الطول الموجي للإشارة الضوئية الحرارية⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷⁷^,⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹.
قم بتثبيت العينة على قرص عينة مغناطيسي متوافق مع حامل عينات نظام AFM–IR، مع تثبيت العينة باستخدام شريط كربوني مزدوج الوجه، أو معجون فضي، أو طلاء أظافر، أو غراء فائق، أو إيبوكسي.
ملاحظة: استخدم مادة لاصقة موصلة مثل الشريط الكربوني أو المعجون الفضي إذا كان سيتم إجراء أنماط AFM كهربائية أو توصيف لاحق بالمجهر الإلكتروني.
اختر أيقونة التحميل (Load) في نافذة مسبار AFM لفتح نافذة معالج تحميل الرأس (Load Tip Wizard).
تأكد من أن المسبار ومنطقة العينة ذات الأهمية مرئيتان ضمن المجال البصري (الشكل 4C، 4D).
ملاحظة: يمكن استيعاب عينات يصل قطرها إلى 25 mm تقريبًا في حامل العينات؛ ومع ذلك، فإن المنطقة المركزية التي تبلغ 6 mm × 8 mm فقط هي المتاحة لقياسات AFM–IR. ستعتمد المنطقة ذات الأهمية على ما يرغب المستخدم في فحصه باستخدام AFM–IR، ولكن استخدم علامات بصرية بالاقتران مع مخططات العينة لتمييز وتحديد الموقع.
اضبط التركيز البصري باستخدام السهمين للأعلى/للأسفل في نافذة "التركيز على المسبار" (Focus on Probe) حتى تظهر حواف العتلة الأقرب إلى قمة المسبار بوضوح، ثم انقر فوق "التالي" (Next).
ضع علامة التقاطع مباشرة فوق رأس المسبار عند الطرف البعيد للعتلة في نافذة "تمركز علامات التقاطع" (Center Crosshairs)، مما سيؤدي إلى تمركز رأس المسبار في المجال البصري، ثم انقر فوق "التالي" (Next).
اضبط التركيز البصري باستخدام السهمين للأعلى/للأسفل في نافذة "التركيز على العينة" (Focus on Sample) حتى تظهر ملامح سطح العينة بوضوح.
استخدم أسهم التحكم في منصة تنقل العينة XY (Sample XY Navigation) ومنظر المجهر البصري للتنقل في العينة حتى تصبح المنطقة ذات الأهمية تحت رأس المسبار، ثم انقر فوق "التالي" (Next).
اضبط مسافة الوقوف (Standoff) على 100 µm على الأقل واختر "الاقتراب فقط" (Approach Only).
ملاحظة: بعد النقر فوق "الاقتراب فقط"، سيقترب الرأس إلى مسافة الوقوف المحددة من سطح العينة وستغلق نافذة معالج تحميل الرأس تلقائيًا.
استخدم مقابض التحكم في محاذاة ليزر AFM لوضع ليزر AFM على ظهر العتلة مباشرة فوق رأس المسبار ولرفع جهد مجموع الليزر إلى الحد الأقصى (الشكل 4C).
1. قم بتمركز الليزر عرضيًا على العتلة.
2. ضع الليزر بالقرب من قمة العتلة فوق رأس المسبار.
3. اضبط موضع الليزر حتى يتم تحقيق أقصى جهد لمجموع الليزر.
  ملاحظة: تحقق من أن جهد مجموع الليزر يتجاوز 5 V عند استخدام مسبار AFM–IR بنمط النقر ذو الصلابة العالية. إذا لم يكن الأمر كذلك، فقد يكون المسبار تالفًا أو غير مثبت بشكل صحيح.
اضبط مقابض التحكم في محاذاة الكاشف الضوئي لتمركز شعاع الليزر المنعكس على الثنائي الضوئي الحساس للموضع.
1. اضبط المحاذاة حتى تكون إشارة الانحراف ضمن ±0.1 V من الصفر.
2. تأكد من أن قراءة الانحراف (Deflection) تعرض مؤشرًا أخضر متمركزًا في حقل القراءة (الشكل 4E).
أغلق غلاف الجهاز.
ارفع معدل تدفق غاز التطهير إلى 7 L/min تقريبًا واستمر في التطهير حتى تنخفض رطوبة الغلاف إلى أقل من 8%.
قلل معدل تدفق غاز التطهير إلى 4 L/min تقريبًا للحفاظ على مستوى الرطوبة المنخفض طوال القياسات اللاحقة.
ملاحظة: يقلل خفض معدل تدفق غاز التطهير من الاضطرابات التي قد تسبب ضوضاء في تصوير AFM. تكون العينات التي تظهر امتصاصًا أقوى للأشعة تحت الحمراء بشكل عام أقل حساسية للرطوبة المتبقية. في بعض الظروف، قد تكون مستويات الرطوبة التي تصل إلى 10% تقريبًا مقبولة، مما يسمح بتقليل أوقات التطهير واستهلاك الغاز مع تقليل الاضطرابات.

figure-protocol-2
الشكل 4. إعداد الجهاز، ومحاذاة المسبار، وضبط الكابولي لنظام nanoIR3-s AFM–IR الذي يعمل ببرنامج Analysis Studio v3.17. (A) تجميعة رأس AFM التي توضح مقبض رأس AFM، ومقبض المنزلق، ومكونات تحديد موضع الرأس. (B) حامل المسبار الذي يحتوي على مسبار AFM–IR من طراز TnIR-D-10 مثبت مسبقاً. (C) عناصر التحكم في المحاذاة المستخدمة لوضع ليزر انحراف AFM على الكابولي وتركيز الشعاع المنعكس على الصمام الثنائي الضوئي الحساس للموضع. (D) صورة بصرية للعينة ومسبار AFM قبل محاذاة الليزر، وتظهر إشارة مجموع ليزر منخفضة. (E) صورة بصرية بعد محاذاة الليزر، وتظهر إشارة مجموع ليزر أكبر من 5 V وانحرافاً يقترب من الصفر للكابولي. (F) منحنى ضبط نموذجي لتردد الرنين الأول (f₁) لمسبار TnIR-D-10 عند حوالي 240 kHz المستخدم لاكتساب التضاريس (وضع التشغيل Drive Mode). (G) منحنى ضبط نموذجي للرنين ذي التردد الأعلى (f₂) عند حوالي 1550 kHz المستخدم للكشف الضوئي الحراري (وضع الكشف Detection Mode). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

2. ضبط المسبار

قم بإجراء زوج من عمليات ضبط الكابول (cantilever tune) لتحديد ترددات رنين المسبار التي سيتم استخدامها في وضع القيادة (Drive Mode) ووضع الكشف (Detection Mode) (الشكل 4F، 4G).
ملاحظة: سيضمن اتباع الإجراء أدناه أن ينتج عن ضبط الكابول قمم رنين منفصلة جيداً لكل من رنين التضاريس (وضع القيادة) ورنين الكشف بالأشعة تحت الحمراء IR (وضع الكشف).
1. تأكد من اختيار وضع Tapping AFM–IR من القائمة المنسدلة في نافذة AFM Scan.
2. انقر فوق أيقونة الشوكة الرنانة لفتح نافذة ضبط الكابول (Cantilever Tune).
قم بإجراء ضبط الكابول لوضع القيادة (Drive Mode).
1. في لوحة ضبط وضع القيادة، حدد نطاق مسح ترددي يبلغ حوالي 100 kHz حول تردد الرنين الاسمي للمسبار (الشكل 4F)، ثم انقر فوق سهم البدء (Start) الأخضر.
  ملاحظة: عادة ما يكون تردد الرنين الاسمي مدرجاً على العلبة التي يأتي فيها مسبار AFM.
2. حدد قمة الرنين التي ستُستخدم لتصوير التضاريس بوضع النقر (tapping-mode). اختر قمة بارزة ومنعزلة ذات شكل غاوسي دون وجود كتف ملحوظ. وبشكل عام، تكون القمة ذات السعة الأعلى في نطاق المسح الترددي والتي تستوفي هذه المعايير هي الأفضل.
3. قم بتقليل نطاق المسح إلى حوالي 10 kHz وقم بتدقيق تردد الرنين المختار حتى يتم تحديد تردد القمة بوضوح.
  ملاحظة: اختر تردداً لوضع القيادة 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 فال الجاذبة أثناء الاقتراب، وتعزز التشغيل ضمن نظام التفاعل التنافري أثناء التصوير بوضع النقر.
4. اضبط قوة وضع القيادة (Drive Mode Strength) حتى يتم تحقيق سعة ذروة تبلغ حوالي 9 V.
  ملاحظة: تتراوح قوة وضع القيادة عادةً بين 0.2%–5%.
قم بإجراء ضبط الكابول لوضع الكشف (Detection Mode).
1. في لوحة ضبط وضع الكشف، اضبط التردد المركزي ليكون حوالي ستة أضعاف تردد وضع القيادة.
2. اضبط نطاق مسح وضع الكشف على حوالي 500 kHz (الشكل 4G)، ثم انقر فوق سهم البدء (Start) الأخضر.
3. اختر أبرز قمة رنين منعزلة ذات شكل غاوسي في طيف تردد وضع الكشف دون وجود كتف ملحوظ. وبشكل عام، تكون القمة ذات السعة الأعلى في نطاق المسح الترددي والتي تستوفي هذه المعايير هي الأفضل.
4. قم بتقليل نطاق المسح إلى حوالي 10–20 kHz وقم بتدقيق تردد وضع الكشف المختار حتى يتم تحديد قمة الرنين بوضوح.
5. اضبط قوة وضع الكشف (Detection Mode Strength) حتى يتم تحقيق سعة ذروة تبلغ حوالي 9 V.
  ملاحظة: تتراوح قوة وضع الكشف عادةً بين 5%–50%.
6. اضبط تردد وضع الكشف عند أقصى سعة للرنين المختار.
  ملاحظة: قد يؤثر اختيار رنين وضع القيادة ووضع الكشف في تقنية AFM–IR بوضع النقر المكتشفة بالهتيروداين بشكل كبير على استجابة IR المقاسة أثناء التصوير والاستحواذ الطيفي. يعتمد الاختيار الأمثل على كل من قمم رنين كابول مسبار AFM وقدرات أو قيود أجهزة الجهاز، بما في ذلك أقصى تردد لـ dither-piezo وعرض نطاق المتحكم. في هذا البروتوكول وفي الشكل 4F، 4G، يتم استخدام f₁ للاستحواذ على التضاريس (وضع القيادة)، ويتم استخدام f₂ للكشف عن IR (وضع الكشف). راجع قسم المناقشة للاطلاع على الاعتبارات الخاصة باختيار رنين القيادة والكشف، بما في ذلك الحالات التي قد يكون فيها تبديل ترتيب ترددي وضع القيادة ووضع الكشف مفضلاً.
انقر فوق أيقونة علامة الصح الخضراء لقبول ضبط الكابول (Accept Cantilever Tune) لحفظ إعدادات وضع القيادة ووضع الكشف.

3. تصوير AFM (التضاريس)

انقر على أيقونة Engage الخضراء في نافذة AFM Probe لإنزال المسبار على سطح العينة.
تنبيه: راقب بث الفيديو المباشر في نافذة Microscope طوال عملية الإنزال. اسحب المسبار فوراً إذا انزاحت بقعة الليزر عن ذراع المسبار (cantilever)، أو إذا انثنى الذراع بشكل مفرط (انحراف الكاشف الضوئي photodetector deflection ≥ ~5 V)، أو إذا انكسر الذراع أثناء الإنزال.
تحقق من نجاح إنزال المسبار من خلال التأكد من أن إشارة Laser Sum تظل قريبة من قيمتها في الفضاء الحر (free-space value)، وأن التقلبات في مراقب Z Position تظل أقل من ±0.2 µm (أي أن ضوء مؤشر شريط حالة Z Position يتقلب بمقدار وضع واحد أو أقل زيادة أو نقصاناً).
قم بتعطيل التصوير بالأشعة تحت الحمراء IR بعد نجاح إنزال المسبار عن طريق إلغاء تحديد مربع الاختيار IR Imaging Enabled في نافذة NanoIR.
ابدأ مسح AFM عن طريق تحديد أيقونة Scan في نافذة AFM Scan.
تأكد من أن Feedback في وضع التشغيل (On) (زر الاختيار).
اضبط نقطة ضبط السعة (Setpoint) لوضع النقر (tapping-mode) لتكون أقل من 8 V.
ملاحظة: عادةً ما يوفر التشغيل بنقطة ضبط سعة تبلغ حوالي 70%–90% من سعة الفضاء الحر (حوالي 6–8 V لسعة فضاء حر في وضع Drive Mode تبلغ 9 V كما في الخطوة 2.2.4) تتبعاً طبوغرافياً جيداً. قد تؤدي نقاط الضبط المنخفضة إلى تحسين تتبع الميزات ذات النسبة الباعية العالية (high-aspect-ratio features) ولكنها تزيد من خطر إتلاف المسبار و/أو العينة.
حسن مكاسب التغذية الراجعة (feedback gains) عن طريق ضبط المكاسب لتحقيق أفضل تداخل بين خط المسح الأمامي (trace) والخلفي (retrace) – قم بزيادة المكاسب حتى يصبح ضجيج التغذية الراجعة ظاهراً في صورة الطبوغرافية و/أو قناة الخطأ (error channel)، ثم قلل المكاسب حتى يختفي الضجيج المتزايد.
ملاحظة: قيم المكاسب النموذجية هي 3–5 للمكسب التكاملي I (Integral) Gain و 5–7 للمكسب التناسبي P (Proportional) Gain.
اختر حجم مسح (العرض والارتفاع) مناسباً للميزة أو الميزات محل الاهتمام.
ملاحظة: تم استخدام 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 الميزة أو الميزات محل الاهتمام بالكامل مع توفير دقة بكسل كافية لتمييز تلك الميزات ضمن الحدود التي يفرضها التفاف نصف قطر الرأس (tip-radius convolution).
اختر معدل مسح يوفر تداخلاً مقبولاً بين المسح الأمامي والخلفي مع الحفاظ على أوقات استحواذ عملية.
ملاحظة: كلما زاد التباعد بين خطوط المسح الأمامي والخلفي، قل دقة تتبع المسبار لطبوغرافية العينة. وبشكل عام، يزداد هذا التباعد مع زيادة معدلات المسح. ومع ذلك، كلما كان مسح المسبار أبطأ، استغرق الحصول على البيانات وقتاً أطول. عادة ما توفر معدلات المسح التي تبلغ حوالي 0.5–2 Hz توازناً مناسباً بين سرعة الاستحواذ والضجيج. بالنسبة لأحجام المسح النموذجية 5–20 µm، يقابل ذلك سرعات مسبار تبلغ حوالي 10–20 µm/s. يتم حساب سرعة المسبار بضرب ضعف حجم المسح (لحساب حركة المسح الأمامي والخلفي) في معدل المسح. قد توجد استثناءات لهذه النطاقات، فعلى سبيل المثال، قد تحتاج العينة الخشنة جداً (مثل Rq > 30 nm) إلى مسحها بسرعة مسبار أقل من <10 µm/s، بينما يمكن تتبع العينة المسطحة ذرياً (مثل Rq < 1 nm) بشكل جيد بسرعة مسبار تزيد عن >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 لوضع النقر ذو الصلابة العالية نصف قطر رأس اسمي يبلغ 20 nm؛ لذا فإن اختيار تباعد بكسلات جانبي أقل بكثير من ~20 nm قد يؤدي إلى أخذ عينات مفرط (oversampling) وانخفاض نسبة الإشارة إلى الضجيج S:N مع تحسن طفيف أو معدوم في الدقة الفيزيائية.
قم بتطبيق إزاحات (Offsets) piezo للمحورين X و Y حسب الحاجة لتوسيط المنطقة محل الاهتمام ضمن مساحة المسح.
استمر في المسح مع ضبط نقطة ضبط السعة ومكاسب التغذية الراجعة بشكل تكراري لتحسين جودة الصورة من خلال التحقق من تداخل المسح الأمامي والخلفي وتقليل إشارة الخطأ إلى أدنى حد (أي زيادة مكاسب التغذية الراجعة حتى ما قبل ظهور زيادة في الضجيج مباشرة، كما هو موضح في الخطوة 3.7) لحجم المسح ومعدل المسح ودقة البكسل المختارة.
بعد تحسين معلمات التصوير، استمر في مسح المنطقة الكاملة لالتقاط صورة للمنطقة محل الاهتمام لتحليل IR.
ملاحظة: كما هو موضح في النتائج النموذجية (Representative Results)، تعتمد المنطقة المراد مسحها على احتياجات العينة المحددة (على سبيل المثال، التحليل الطيفي IR الانتقائي لنقطة ملوث، أو رسم خرائط IR للتوزيع المكاني لمجموعة وظيفية كيميائية محددة، إلخ).
حدد أيقونة Stop في نافذة AFM Scan لإيقاف المسح بعد اكتمال خريطة الطبوغرافية والتأكد من المواقع محل الاهتمام.
ملاحظة: إذا كان ذلك مطلوباً (على سبيل المثال، إذا كان سيتم جمع أطياف IR نقطية فقط لاحقاً بدلاً من خرائط IR، ولكن يراد ربط أطياف IR بالميزات الطبوغرافية)، فقم بحفظ صورة طبوغرافية AFM عن طريق تحديد Capture: Last Frame من شريط أدوات نافذة Microscope.

4. محاذاة وتحسين ليزر الأشعة تحت الحمراء (IR)

حدد سمة ذات أهمية يُحتمل أن تكون نشطة بالأشعة تحت الحمراء (IR-active) في صورة تضاريس مجهر القوة الذرية (AFM).
ملاحظة: قد يكون تحديد السمة ذات الأهمية والنشطة بالأشعة تحت الحمراء (IR-active) عملية تكرارية، وذلك اعتماداً على مدى مسبقاً معرفة تكوين العينة، بالإضافة إلى وجود تطابق (أو عدم وجوده) بين السمات الطبوغرافية والسمات القابلة للتحديد والنشطة بالأشعة تحت الحمراء (IR-active). وبناءً على ذلك، قد يكون من المفيد تصنيع عينة لمحاذاة الأشعة تحت الحمراء، مثل فيلم غطاء البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) على ركيزة عالية الانعكاس كما هو موضح في الشكل 5.
حرك المسبار إلى السمة المحددة باستخدام وظيفة التنقل بنظام "الإشارة والنقر" في بث الفيديو المباشر بنافذة المجهر.
انقر على أيقونة المحاذاة (Align) في نافذة NanoIR لفتح نافذة معالج تحميل الرأس (Load Tip Wizard). سيؤدي ذلك إلى تفعيل ليزر المحاذاة المرئي الذي يقع على استقامة واحدة مع مسار ليزر الأشعة تحت الحمراء (IR).الشكل 5أ، 5B).
اضبط بؤرة الأشعة تحت الحمراء (IR focus) باستخدام سهمي الأعلى والأسفل في خيار "Adjust IR Focus" بنافذة "Center Align Laser"، وذلك لتحديد الموضع البؤري الذي ينتج أصغر بقعة ليزر مرئية وأكثرها دائرية (الشكل 5B).
ملاحظة: ستؤدي العينة عالية الانعكاس إلى تسهيل رؤية شعاع الليزر المرئي في حال عدم اصطدامه برافعة القياس (cantilever).
قم بتوسيط ليزر المحاذاة المرئي الموجود في الجزء الخلفي من العارضة فوق طرف المسبار مباشرةً باستخدام أسهم ملاحة محاذاة الليزر (Align Laser Navigation).
انقر فوق "إنهاء" لإغلاق نافذة "معالج تحميل الطرف" (Load Tip Wizard).
ملاحظة: توفر الخطوات 4.3-4.6 محاذاة تقريبية فقط. ويتم إجراء التحسين النهائي لمحاذاة الحزمة والتركيز باستخدام حزمة الأشعة تحت الحمراء (IR) في الخطوات اللاحقة لضمان الحصول على استجابة ضوئية حرارية قابلة للقياس من العينة (الشكل 5ج، 5D).
اختر عدداً موجياً للأشعة تحت الحمراء يقابل نمطاً اهتزازياً معروفاً ونشطاً بالأشعة تحت الحمراء للميزة محل الاهتمام.
ملاحظة: قد يؤدي الإلمام المسبق بالتركيب الكيميائي المتوقع ونطاقات امتصاص الأشعة تحت الحمراء 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 (IR).
تنبيه: الأشعة تحت الحمراء (IR) غير مرئية وقد تسبب إصابة خطيرة في العين. يجب اتباع جميع متطلبات السلامة من الليزر المعمول بها قبل تفعيل مصدر الأشعة تحت الحمراء، بما في ذلك اللوحات الإرشادية، وأقفال السلامة المتداخلة، والمصراع، وعناصر التحكم في الغلاف، وارتداء نظارات السلامة الخاصة بالليزر عند الاقتضاء. يُصنف مصدر OPO واسع النطاق كمنظومة ليزر من الفئة 4، ومصدر QCL كمنظومة ليزر من الفئة 3B. وبحسب وضعية التركيب، فإن نظام AFM–IR يُصنف من الفئة 2 لأن أنابيب الشعاع تحوي أشعة الليزر، وتعمل أقفال السلامة المتداخلة على إغلاق المصراع عند فتح غلاف نظام AFM–IR. ونظراً لأن المصراع مصمم للإغلاق التلقائي عند انقطاع الطاقة، فإن نظارات السلامة من الليزر ليست مطلوبة أثناء التشغيل الروتيني، ما لم يتم تعطيل أقفال السلامة أو فتح المصراع قسراً أثناء الصيانة أو عند إعادة محاذاة الشعاع. وعندما تكون النظارات مطلوبة، يجب استخدام نظارات السلامة من ليزر الأشعة تحت الحمراء التي توفر الحماية عبر كامل نطاق ليزر الأشعة تحت الحمراء، مثل نظارات Schott-glass للسلامة من ليزر الأشعة تحت الحمراء.
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 المتوفرة.
ملاحظة: قد تؤدي قدرة الأشعة تحت الحمراء المفرطة إلى إتلاف المواد الحساسة حرارياً. بالنسبة للعينات القائمة على البوليمرات في نظام AFM–IR، يجب الحفاظ على قدرة الأشعة تحت الحمراء دون مستوى 20% تقريباً.
اضبط دورة تشغيل الليزر (Duty Cycle) في نافذة NanoIR.
ملاحظة: بالنسبة لمصدر OPO واسع النطاق، استخدم دورة تشغيل بنسبة 50%. أما بالنسبة لـ QCL، فاستخدم دورة تشغيل أقل من 10%، وتتراوح عادةً بين 2% و4%. وفي حالة تشغيل QCL، تحدد دورة التشغيل والترشيح بكثافة متعادلة معاً قدرة الأشعة تحت الحمراء الساقطة، حيث تتناسب القدرة خطياً مع دورة التشغيل. ويقوم البرنامج تلقائياً بضبط مدة نبضة QCL من 40 نانوشانية إلى 500 نانوشانية بزيادات قدرها 20 نانوشانية لتتوافق مع دورة التشغيل ومعدل تكرار النبض المحددين.
انقر فوق أيقونة التحسين (Optimize) في نافذة NanoIR لفتح نافذة تحسين الأشعة تحت الحمراء (IR Optimize).
قم بتعديل شريط التمرير الموجود في الجزء العلوي من نافذة تحسين الأشعة تحت الحمراء (IR Optimize) لتحديد منطقة أكبر من 200 µm × 200 µm وانقر على Scan لمسح شعاع الأشعة تحت الحمراء (IR) ضوئياً.
قم بتعديل بؤرة الأشعة تحت الحمراء (IR focus) إذا لزم الأمر للتعويض عن الاختلافات بين محاذاة الضوء المرئي وحزم الأشعة تحت الحمراء. وللقيام بذلك، انقر على "الأدوات" (Tools) واختر "التقاط البؤرة" (Focus Capture). حدد "عدد عمليات التقاط البؤرة" (Number of Focus Captures) (على سبيل المثال: 5)، بالإضافة إلى نقاط "بداية" (Start) و"نهاية" (End) البؤرة، ثم انقر على "التقاط البؤرة" (Focus Capture) لتحسين محاذاة الحزمة والبؤرة في آن واحد.
ملاحظة: يجب أن ينتج عن الشعاع المحاذى بشكل صحيح ملف استجابة غاوسي تقريباً. الشكل 5ج تظهر خريطة تحسين الحزمة التي تم الحصول عليها عندما تكون العينة غير نشطة في الأشعة تحت الحمراء (IR-inactive) عند العدد الموجي المحدد و/أو عندما يكون محاذاة الأشعة تحت الحمراء والتركيز غير محسنين بشكل جيد. الشكل 5D يُظهر شعاعاً نموذجياً محسناً بحجم بقعة يبلغ 40- تقريباً50 µm واستجابة ضوئية حرارية تبلغ 3 ملي فولت تقريبًا فوق مستوى الخلفية. وكان حجم بقعة الشعاع يبلغ < 100 µm باستجابة ضوئية حرارية تبلغ > تعتبر قيمة 0.5 ميلي فولت فوق مستوى الخلفية مقبولة عمومًا؛ ومع ذلك، فإن هذا سيعتمد على الحجم الدقيق للحزمة الداخلة، وجودة النمط، والتباعد، والطول الموجي، بالإضافة إلى تصميم مسار الحزمة (على سبيل المثال، بصريات التركيز، ومرشحات الكثافة المحايدة، إلخ). كما تعتمد قوة الاستجابة الضوئية الحرارية بشكل كبير على شدة 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 الاستجابة للمجال القريب للمسبار.
كرر عملية تحسين الحزمة عند أعداد موجية إضافية عندما يتم الحصول على أطياف أو خرائط كيميائية عبر نطاق طيفي واسع.
ملاحظة: قد يختلف محاذاة الشعاع وتركيزه وفقاً للطول الموجي؛ لذا، يجب تحسين محاذاة الشعاع وتركيزه 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 كيلو هرتز تقريبًا، متمركزًا حول معدل نبضات تردد الفرق الاسمي الذي تم تحديده أثناء ضبط المسبار.
ملاحظة: يكون معدل تكرار النبضات الاسمي مساوياً لـ |f₂ − f₁، حيث f₁ و f₂ هي ترددات الرنين المختارة للتحفيز والكشف.
قم بمسح معدل تكرار نبضات الليزر عبر نطاق الضبط المختار الخاص بمعدل النبضات من خلال النقر على Acquire.
تحقق من ملاحظة ذروة رنين بارزة ومنعزلة على شكل غاوسي دون وجود كتف ملحوظ، على غرار الخطوتين 2.2.2 و2.3.3 في عملية ضبط المسبار عند اختيار رنين وضع التشغيل والكشف.
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. وبوجه عام، تكون الذروة ذات السعة الأعلى في نطاق معدل تكرار نبضات الليزر (التردد) المحدد والتي تستوفي معايير الاختيار هي الأفضل، ومن شأنها أن تنتج أقوى استجابة لامتصاص الأشعة تحت الحمراء المُضخمة بالتردد المتغاير.
قم بتقليل نطاق الضبط المراد مسحه ليكون ≤50 كيلو هرتز.
قم بتنقيح معدل تكرار النبضات المحدد من خلال تحديد القيمة القصوى لذروة الرنين.
قم بتفعيل حلقة القفل الطوري (PLL) ضمن خيار الضبط التلقائي (Auto-Tune).
ملاحظة: تحافظ حلقة القفل الطوري (PLL) على معدل تكرار نبضات الليزر عند تردد الفرق بين أنماط الاهتزاز الذاتية المختارة للمجس، مما يعوض انزياح تردد الرنين أثناء القياس.¹⁵.
اضبط عرض نطاق حلقة القفل الطوري (PLL bandwidth) ليكون ≤ ±بمقدار 30 كيلو هرتز حول الرنين المختار من خلال تعيين الحد الأدنى والحد الأقصى المسموح بهما للترددات المقابلة.
اضبط عتبة حلقة القفل الطوري (PLL) لتكون أعلى قليلاً من مستوى الضوضاء الملحوظ في ضبط النبضات (حوالي 1.1 ضعف مستوى الضوضاء).
انقر فوق "موافق" (OK) لإغلاق نافذة ضبط نبضة الليزر (Laser Pulse Tune) وحفظ الإعدادات.
ملاحظة: أعد تأكيد محاذاة الليزر إذا كان معدل تكرار النبضة المُحسَّن يختلف اختلافاً جوهرياً عن القيمة التي تم الحصول عليها أثناء الضبط الأولي للمسبار.
تحديد الأدوات > معايرة الخلفية بالأشعة تحت الحمراء (IR Background Calibration) من القائمة الرئيسية.
انقر فوق "New" (جديد) للحصول على طيف خلفية، 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) مساوياً للقيمة المخطط لها لعملية الحصول على العينة.
ملاحظة: تعتمد أقصى دقة طيفية يمكن تحقيقها على مصدر الأشعة تحت الحمراء (<1 سم⁻¹ لجهاز MIRcat QCL وحوالي 20 سم⁻¹ (العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى FWHM لجهاز APE Carmina الذي يعمل في وضع النطاق الضيق). وتتمثل الاعتبارات الإضافية عند اختيار الميز الميز الطيفي في عرض الخطوط الاهتزازية المتوقع والتباعد بين السمات الطيفية (إذا كانت معروفة)، ووقت الحصول على البيانات المعقول (والذي يتناسب طردياً مع الميز)، ونسبة الإشارة إلى الضجيج S:N المطلوبة (والتي تنخفض مع زيادة الميز الطيفي). وعادةً ما توفر أجهزة مطياف تحويل فورير للأشعة تحت الحمراء FTIR التجارية المخصصة لتحليل العينات الصلبة دقة اختيارية للمستخدم تبلغ 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 سم-1.⁻¹، بطول 4 سم⁻¹ تُعد الدقة إعداداً شائع الاستخدام.
حدد الأعداد الموجية للبداية والنهاية بحيث تشمل النطاق الطيفي الكامل المخصص لقياسات العينة.
اضبط الطاقة على 100%.
اضبط الخلفيات على متوسط 5 عمليات استحواذ.
انقر فوق "Acquire" 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. يُرجى الرجوع إلى ورقة البيانات/دليل استخدام الليزر. يمكن أن تظهر سمات امتصاص إضافية في طيف الخلفية إذا لم يتم تطهير غرفة AFM−IR بشكل كافٍ (على سبيل المثال، يُلاحظ الماء عادةً كسلسلة من قمم الامتصاص بين 1250 و2000 سم⁻¹ تقريباً).⁻¹، مع وجود قيم قصوى عند 1550 و1700 سم⁻¹ تقريباً⁻¹، بالإضافة إلى نطاق عريض يبلغ حوالي 300 سم⁻¹ امتصاص عريض بعرض كامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) متمركز عند 3750 سم-1⁻¹، بينما CO₂ تظهر عادةً على شكل امتصاص عريض عند ~2325 سم-1⁻¹). راجع كتاب ويب الكيمياء التابع للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (https://webbook.nist.gov/chemistry/) للحصول على أطياف الأشعة تحت الحمراء الممثلة للمرحلة البخارية لـ H₂O و CO₂⁸².
انقر فوق "حفظ" لحفظ طيف الخلفية وإغلاق نافذة "جمع الخلفية" تلقائياً.
ملاحظة: أثناء عملية الحصول على الطيف بالأشعة تحت الحمراء (IR)، سيقوم البرنامج تلقائياً بقسمة الاستجابة الكهروضوئية الحرارية المقاسة على ملف معايرة الخلفية للأشعة تحت الحمراء لتصحيح التباين في قدرة خرج الليزر كدالة في الطول الموجي/العدد الموجي (أي طيف خرج الليزر).

figure-protocol-3
الشكل 5. سير عمل محاذاة وتحسين ليزر الأشعة تحت الحمراء (IR). (أ) صورة بصرية لمجس AFM حيث يكون ليزر المحاذاة المرئي خارج التركيز وغير متمركز على العارضة (B) ليزر المحاذاة المرئي متمركز على العارضة مباشرة فوق طرف المجس بعد تحسين التركيز والتموضع. (ج) مثال على مسح خطي (raster scan) لمنطقة بمساحة 200 µm × 200 µm باستخدام Carmina OPO مضبوط على 1730 cm⁻¹ ومرشح إلى قدرة 11.39%، تم الحصول عليه في ظل ظروف غير محسنة لمحاذاة الحزمة والتركيز. كانت العينة غير نشطة فعلياً تجاه الأشعة تحت الحمراء عند العدد الموجي المختار و/أو كان تركيز الأشعة تحت الحمراء سيئ المحاذاة مع الواجهة بين الطرف والعينة؛ وبناءً عليه، لم يتم اكتشاف أي استجابة ضوئية حرارية موضعية عالية الكثافة. (د) مسح خطي محسّن للحزمة متمركزة على نفس المنطقة بمساحة 200 µm × 200 µm حول طرف المجس، يظهر ملف ليزر متمركز وشبه غاوسي (Gaussian) بحجم بقعة يتراوح بين 40–50 µm واستجابة ضوئية حرارية قوية بكثافة قصوى تبلغ حوالي 3 mV. (هـ) طيف AFM–IR نموذجي في وضع النقر (tapping-mode) مكتشف بطريقة الـ heterodyne، تم الحصول عليه بدقة 2 cm⁻¹/point من عينة محاذاة من بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) بعد تحسين محاذاة حزمة الأشعة تحت الحمراء مع طرف المجس عند 1730 cm⁻¹. يمثل المحور الصادي الاستجابة الضوئية الحرارية لـ AFM–IR المقاسة بالميلي فولت من الإشارة على الثنائي الضوئي لارتداد الحزمة (beam-bounce photodiode) عند تردد وضع الكشف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

5. الحصول على الطيف الأشعاعي تحت الأحمر (IR)

حدد الميزة المراد دراستها في صورة تضاريس AFM التي تم الحصول عليها سابقاً، ثم ضع مسبار AFM فوق الميزة المختارة في عرض التصوير (Imaging View) باستخدام وظيفة التنقل بالنقر في نافذة المجهر.
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 5–15 µm (~670–2000 cm⁻¹)، بينما يحتوي MIRcat QCL على 4 رقائق تغطي 755–1005، و955–1425، و1425–1835، و2635–3000 cm⁻¹. بالنسبة لرقاقة السيليكون المنقوشة وعينات البوليمر الموضحة هنا، فإن النطاق الطيفي التقريبي ذو الأهمية هو 1000–1800 cm⁻¹.
اضبط دقة الطيف (cm⁻¹/point) في نافذة NanoIR لتتطابق مع القيمة المستخدمة أثناء معايرة الخلفية بالأشعة 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 بين طيف وآخر ويسمح بإجراء متوسط مشترك يدوي للأطياف في مرحلة ما بعد المعالجة لتحسين نسبة الإشارة إلى الضجيج S:N.
إذا كان المطلوب إجراء متوسط للأطياف لتحسين نسبة S:N، فتأكد من تحديد مربع اختيار "Co-average Spectra" وحدد عدد المتوسطات المشتركة للأطياف المطلوبة من القائمة المنسدلة في نافذة NanoIR.
ملاحظة: ستتحسن نسبة S:N بمقدار الجذر التربيعي لعدد المتوسطات المشتركة، بينما سيزداد الوقت المطلوب للاستحواذ بشكل خطي، لذا هناك نقطة من العوائد المتناقصة عند زيادة المتوسطات المشتركة.
انقر فوق Acquire في نافذة NanoIR لبدء الحصول على طيف IR.
إذا رغبت في ذلك، قم بتصدير وحفظ الطيف الذي تم الحصول عليه عن طريق اختيار Export من قائمة File المنسدلة في Analysis Studio.
ملاحظة: تشمل تنسيقات الملفات المتاحة لتصدير الأطياف CSV وTSV 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 حددها المستخدم، وعامل شكل الحزمة، وتردد PLL، بالإضافة إلى بيانات معايرة الخلفية بالأشعة تحت الحمراء المستخدمة لمقياس الاستجابة الضوئية الحرارية الخام وتصحيح طيف قدرة خرج الليزر (راجع الخطوة 4.35). لن تحتوي الصور على أي بيانات وصفية.
كرر عملية الحصول على الأطياف في مواقع إضافية حسب الحاجة.
ملاحظة: راجع قسم النتائج والمناقشة للاطلاع على أمثلة حول اختيار المعلمات وتفسير أطياف AFM–IR.

6. رسم خرائط الأشعة تحت الحمراء (النمط الاهتزازي)

اضبط العدد الموجي للأشعة تحت الحمراء (IR wavenumber) في نافذة NanoIR على الحد الأقصى لسعة نمط الاهتزاز المطلوب 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 قمة 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 و 9، 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 التي تم الحصول عليها محلياً، أو قواعد البيانات الطيفية المتاحة علناً مثل NIST Chemistry WebBook لتحديد القمم⁸².
حدد مربع اختيار تمكين التصوير بالأشعة تحت الحمراء (IR Imaging Enabled) في نافذة NanoIR.
ابدأ مسح مجهر القوة الذرية (AFM) بالنقر على أيقونة المسح (Scan) في نافذة AFM Scan. سيؤدي ذلك إلى بدء الحصول المتزامن على صورة تضاريس AFM وخريطة سعة IR المقابلة لها.
ملاحظة: عادةً، يمكن استخدام نفس معاملات مسح AFM لعملية رسم خرائط IR التي استُخدمت سابقاً للحصول على صورة تضاريس AFM في الخطوة 3. راجع قسم النتائج التمثيلية والمناقشة للاطلاع على أمثلة حول اختيار المعاملات وتفسير خرائط AFM–IR الكيميائية.
اختر Capture: End of Frame من شريط أدوات نافذة المجهر لحفظ صورة تضاريس AFM وبيانات رسم خرائط IR.
ملاحظة: يمكن تصدير بيانات تضاريس AFM ورسم خرائط IR 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 رغبت في ذلك، وذلك عن طريق اختيار Export من القائمة المنسدلة File في Analysis Studio. وبينما تتوفر البيانات الوصفية المتعلقة بمعاملات الحصول على البيانات في ملف مشروع Analysis Studio، فإن الصور المصدرة أو ملفات بيانات AFM لن تتضمنها. وعلى عكس بيانات تضاريس AFM، يتم عرض خرائط IR عادةً كما تم الحصول عليها، دون إجراء أو الحاجة إلى معالجة لاحقة (مثل ملاءمة المستوى أو التسوية)، على غرار أنماط SPM غير التضاريسية الأخرى مثل CAFM/TUNA أو KPFM أو MFM.

figure-protocol-4
الشكل 6. مطيافية AFM–IR والمسح الكيميائي 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 في وضع التلامس المعزز بالرنين مع مسبار CnIR-B-10 وجهاز MIRcat QCL مفلتر بقوة IR تبلغ 14.75% ومضبوط على معدل تكرار نبضات الليزر بنحو 782 kHz بما يتوافق مع رنين التلامس للمسبار المحفوظ عند نقطة ضبط الانحراف 2 V (حمل يبلغ 4 nN تقريباً). (A) أطياف AFM–IR المكتسبة من مناطق PMMA (البرتقالية) و SiO₂ (الزرقاء) في العينة. تمثل الأطياف متوسط خمس عمليات اكتساب متتالية جُمعت من 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 من 10 نقاط، وتم إزاحة طيف PMMA رأسياً من أجل الوضوح. يوضح الشكل الداخلي البنية الجزيئية لـ PMMA، مع إبراز المجموعة الوظيفية كربونيل (C=O). (B) خريطة كيميائية بـ AFM–IR اكتُسبت عند 1730 cm^-1، وهو ما يتوافق مع حزمة امتصاص الكربونيل في PMMA. تغطي الخريطة منطقة بمساحة 15 µm × 15 µm اكتُسبت بمعدل مسح 0.5 Hz ودقة بكسل 30 nm (500 × 500 بكسل). تم تفعيل حلقة مغلقة الطور (PLL) طوال عملية اكتساب الصورة لتتبع التغيرات في تردد رنين التلامس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-protocol-5
الشكل 7. توصيف تقنية AFM–IR للترسيب الانتقائي للمساحة (ASD) للبولي بيرول (PPy) على هياكل السيليكون المنقوشة. أُجريت القياسات باستخدام تقنية AFM–IR بنمط النقر المكتشف بالتردد غير المتجانس ومسبار TnIR-D-10. تم ترشيح جهاز Carmina OPO إلى 4.15% من قدرة الأشعة تحت الحمراء (IR power) وضُبط معدل تكرار نبضات الليزر عند 258 kHz تقريباً، وهو ما يتوافق مع الفرق بين ترددي نمطي التشغيل والكشف للتضخيم غير المتجانس لإشارة استجابة الأشعة تحت الحمراء الضوئية الحرارية، مع ضبط نطاق تردد PLL عند ±25 kHz. (A) صورة بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للمقطع العرضي للرقاقة المنقوشة توضح حواف السيليكون المغطاة بـ SiN والمجاورة لخنادق SiO₂. (B, C) صور تضاريس AFM بدقة 256 × 256 بكسل لمناطق منقوشة ممثلة تظهر (B) مساحة 10 µm × 10 µm بدقة بكسل تبلغ 40 nm تقريباً و (C) مساحة 5 µm × 5 µm بدقة بكسل تبلغ 20 nm تقريباً. (D) أطياف AFM–IR الخام المكتسبة من مناطق SiO₂ و SiN، بدقة طيفية تبلغ 2 cm^-1/point، وتظهر نمط تمدد Si–O المميز عند 1120 cm^-1 تقريباً. (E) خريطة كيميائية بـ AFM–IR اكتُسبت عند 1120 cm^-1، حيث تشير زيادة شدة الإشارة إلى امتصاص Si–O أقوى. (F) تمثيل ثلاثي الأبعاد لاستجابة AFM–IR عند 1120 cm^-1 متراكب على تضاريس العينة بعد ترسيب PPy. يُلاحظ الترسيب الموضعي داخل خنادق SiO₂. تبلغ دقة البكسل لخرائط الأشعة تحت الحمراء بمساحة 5 µm × 5 µm الموضحة في (E) و (F) حوالي 20 nm (256 × 256 بكسل). اكتُسبت الخرائط بمعدل مسح قدره 0.5 Hz. البيانات الأساسية والشكل مقتبسان بإذن بموجب رخصة CC BY 4.0 من الشكل 6 في دراسة .Thelven et al⁴⁴. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-protocol-6
الشكل 8. تحليل AFM–IR لعملية إزالة المقاوم الضوئي. أُجريت القياسات باستخدام تقنية AFM–IR بنمط النقر المكتشف بالتردد المتغاير ومسبار TnIR-D-10. تم ترشيح ليزر Carmina OPO إلى 4.15% من قدرة الأشعة تحت الحمراء وضُبط معدل تكرار نبضة الليزر عند 266 kHz تقريبًا، وهو ما يتوافق مع الفرق بين ترددي وضع التشغيل (Drive) ووضع الكشف (Detection) للتضخيم المتغاير لإشارة الاستجابة الضوئية الحرارية للأشعة تحت الحمراء، مع ضبط عرض نطاق PLL عند ±25 kHz. (A) خريطة كيميائية بتقنية AFM–IR لمساحة 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 للمقاوم الضوئي. تم تحديد المناطق المشتبه في وجود تلوث متبقٍ بها بحدود متقطعة. أُزيلت الخطوط الأفقية الناتجة عن ضعف تتبع المسبار للمعالم الحادة باستخدام وظيفة تصحيح الندوب (scar-correction) في برنامج Gwyddion v2.69. (B) أطياف AFM–IR تم الحصول عليها بدقة 1 cm^-1/point من المواقع المحددة في (A). يمثل الموقع A المقاوم الضوئي، ويمثل الموقع B منطقة تلامس ملوثة، ويمثل الموقع C سطح Ga₂O₃ نظيفًا اسميًا. تشير المنطقة المظللة إلى النطاق الطيفي المستخدم لإنشاء الخريطة الكيميائية بناءً على الاستجابة الضوئية الحرارية للعينة عند 1600 cm^-1. تمت تنعيم الأطياف باستخدام مرشح معالجة لاحقة FFT في برنامج Gwyddion v2.69. البيانات الأساسية والشكل مقتبسان بإذن بموجب ترخيص CC BY 4.0 من الشكل 6 في Pieczulewski et al.⁴⁵. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-protocol-7
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 بواسطة EBL باستخدام AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين ومسبار CnIR-B-10 تم الحفاظ عليه عند نقطة ضبط انحراف قدرها 2 V (حمل يبلغ 4 nN تقريباً)، مع استخدام MIRcat QCL مُرشح إلى 17.85% من قوة الأشعة تحت الحمراء. تم تغيير معدل تكرار نبضات QCL ليتوافق مع ترددات رنين التلامس المختلفة الملاحظة، 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 حزمة 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 تم جمعها في نفس الموقع، وتم تطبيعها بالنسبة 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 الضجيج (S:N) النسبية المحسوبة كنسبة شدة ذروة كربونيل PMMA إلى جذر متوسط مربع ضجيج الخط القاعدي. (E, F) الخرائط الكيميائية الخام لـ AFM–IR التي تم الحصول عليها بمعدل مسح 0.8 Hz من مسح واحد بمساحة 15 µm x 15 µm عند 1730 cm^-1 وبدقة بكسل تبلغ 30 nm (500 × 500 بكسل) باستخدام معدلات تكرار نبضات الليزر (e) 177 kHz و (f) 1139 kHz. ولتسهيل المقارنة، عُرضت خرائط البيانات الخام في (E) و (F) باستخدام نفس المقياس اللوني. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في مجال أشباه الموصلات، يمكن استخدام مادة لدنة بالحرارة مثل بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) كعازل وخلطها مع بوليمرات شبه موصلة نشطة لضبط حركية الشحنة في الجهاز⁷⁷^,⁷⁸. كما أن لـ PMMA فائدة كمقاوم إيجابي لليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية أو الأشعة فوق البنفسجية⁷⁹. وفي كلا التطبيقين، يمكن استخدام تقنية AFM–IR للتأكد من توزيع البوليمر بعد المعالجة. في الشكل 6A، 6B، تم استخدام الليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية (EBL) لتشكيل معالم PMMA على رقاقة سيليكون مغطاة بطبقة رقيقة من الأكسيد (SiO₂). ويمكن ملاحظة الاختلافات الطيفية بين البوليمر (PMMA) وركيزة Si/SiO₂ في أطياف AFM–IR ذات الانتقائية النقطية، والموسطة والمُنَعّمة الناتجة (الشكل 6A). ومن خلال ضبط ليزر الأشعة تحت الحمراء عند أقصى امتصاص 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 لتقييم ميزات أشباه الموصلات المنقوشة باستخدام تقنية AFM–IR في الشكل 7A–7F. حيث قدم متعاون صناعي رقائق منقوشة بأفلام SiN مرسبة على حواف من Si تتناوب مع خنادق من SiO₂ (الشكل 7A). تم فحص الركيزة المنقوشة كما استُلمت أولاً باستخدام AFM–IR للتأكد من الاتساق بين النقش الطبوغرافي (الشكل 7B، 7C) والنقش الكيميائي (الشكل 7D، 7E). وأظهرت أطياف النقاط التي تم الحصول عليها داخل خنادق SiO₂ نمط التمدد المتماثل المميز لـ Si–O–Si عند 1120 cm^-1، بينما لم تظهر الأطياف المكتسبة من الحواف المغطاة بـ SiN ذلك (الشكل 7D). وكشف المسح اللاحق لمنطقة منقوشة مع ضبط الليزر عند 1120 cm^-1 عن توزيع لـ SiN/SiO₂ يتفق مع طبوغرافية الركيزة، كما يتضح من تراكب خريطة IR في الشكل 7E على صورة الطبوغرافية في الشكل 7C.

تُعد هذه الركائز ذات الأنماط شرطاً أساسياً للترسيب الانتقائي للمساحة (ASD)، وهو بديل واعد لطرق التنميط بالتصوير الضوئي التقليدية التي تتضمن خطوات متعددة من الترسيب والنقش. وبالمقارنة مع التصوير الضوئي التقليدي، يوفر الترسيب الانتقائي للمساحة (ASD) استهلاكاً أقل للمواد، وتقليلاً في استخدام الطاقة، وتحكماً أفضل في تسجيل الأنماط لبنى الدارات المتكاملة المعقدة⁴⁴. وفي هذه التجربة، تم ترسيب بولي بيرول (PPy) المترافق بشكل انتقائي على نتوءات SiN في الرقاقة المنمطة. واستُخدم تقنية AFM–IR، مع ضبط الليزر النبضي على نمط 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 مكنت تقنية AFM–IR من تحديد كل من PPy المراد ترسيبه على نتوءات SiN ونوى PPy غير المرغوب فيها داخل خنادق SiO₂، مما أتاح حساب انتقائية الترسيب (S) بناءً على التغطية السطحية النسبية (θ) لأسطح النمو المطلوبة (g) وأسطح عدم النمو (ng)⁴⁴:

figure-results-1 .

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

يتمثل تطبيق إضافي لتقنية AFM–IR في معالجة أشباه الموصلات في التعرف على تلوث بقايا المقاوم الضوئي (photoresist). حيث يمكن أن تؤدي بقايا المقاوم الضوئي المتبقية قبل ترسيب التلامس إلى خفض جودة التلامس وزيادة مقاومة التلامس، مما قد يؤثر على أداء الجهاز وموثوقيته⁴⁵. في هذا المثال، تم فحص عينة بعد خضوعها لمعالجة إزالة الشوائب (descum) باستخدام الأكسجين النشط بقدرة 100 W ولمدة 2 min، وذلك بهدف إزالة بقايا المقاوم الضوئي بعد عملية الرفع التطويرية (lift-off) (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 التلامس (الشكل 8A، الموقع B). وفي المقابل، أظهرت المناطق البعيدة عن حدود المقاوم الضوئي إشارة AFM–IR ضئيلة (الشكل 8A، الموقع C).

تم جمع أطياف الأشعة تحت الحمراء (IR point spectra) من منطقة المقاوم الضوئي (الموقع A) ومقارنتها بالأطياف التي تم الحصول عليها من مناطق معزولة ذات كثافة عالية للأشعة تحت الحمراء ضمن منطقة التلامس التي تمت إزالة الشوائب منها (الموقع B)، مما أكد وجود بقايا من المقاوم الضوئي في تلك المواقع بناءً على التشابه الطيفي والمعرفة بتركيب المقاوم الضوئي AZ nLOF 2020 المستمدة من أوراق بيانات الشركة المصنعة والتوقيعات الطيفية المميزة المقابلة له (الشكل 8B). وفي المقابل، لم تظهر الأطياف التي تم الحصول عليها من الموقع C نطاقات الامتصاص المميزة المرتبطة بالمقاوم الضوئي. تم حساب المتوسط المشترك للأطياف عبر خمس عمليات مسح طيفي، وعُرضت دون معالجة طيفية أو معايرة، مع إزاحة الأطياف عموديًا 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 بالعملية والتحليل الطيفي باستخدام AFM–IR.

يظهر مثال إضافي يوضح تحسين أداء AFM–IR في الشكل 9A–9F. يعتمد 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. وقد كشف مسح ضبط النبضات الذي تم الحصول عليه من PMMA المنقوش على ركيزة Si/SiO₂ عن رنينات تلامسية متعددة يمكن الوصول إليها (الشكل 9A). وأظهرت أطياف AFM–IR التي تم الحصول عليها 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). وتم تحديد نسبة S:N عن طريق أخذ 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 قيمته المتوسطة المصححة من الميل (أي أرضية ضوضاء خط الأساس). وتتضح هذه الاختلافات بشكل أكبر في الخرائط الكيميائية لـ AFM–IR التي تم الحصول عليها عند 1730 cm^-1 باستخدام معدلات تكرار نبضات قدرها 177 kHz و 1139 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 ويوفر مقارنة نموذجية بين ظروف الاكتساب غير المثالية والمحسنة.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين أي تعارض مصالح للإفصاح عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

AFM IR AFM IR AFM

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

في هذه المقالة

ملخص

الملخص

المقدمة

البروتوكول

النتائج

المناقشة

الإفصاحات

شكر وتقدير

المواد

المراجع

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

مقالات ذات صلة