Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Anwendung der Rasterkraftmikroskopie und der nanoskaligen Infrarotspektroskopie zur Bewertung der Leistungsfähigkeit der photothermischen nanoskaligen Infrarotspektroskopie bei der Charakterisierung dreidimensionaler multipolymerer Proben.
Abstract
Mehrphasige polymere Systeme umfassen lokale Domänen mit Abmessungen, die von einigen zehn Nanometern bis zu mehreren Mikrometern variieren können. Ihre Zusammensetzung wird üblicherweise mit Hilfe der Infrarotspektroskopie beurteilt, die einen durchschnittlichen Fingerabdruck der verschiedenen Materialien liefert, die in dem untersuchten Volumen enthalten sind. Dieser Ansatz bietet jedoch keine Details über die Anordnung der Phasen im Material. Grenzflächenbereiche zwischen zwei polymeren Phasen, oft im Nanobereich, sind ebenfalls schwer zugänglich. Die photothermische nanoskalige Infrarotspektroskopie überwacht die lokale Reaktion von Materialien, die durch Infrarotlicht angeregt werden, mit der empfindlichen Sonde eines Rasterkraftmikroskops (AFM). Während sich die Technik für die Untersuchung kleiner Merkmale, wie z. B. einzelner Proteine auf makellosen Goldoberflächen, eignet, ist die Charakterisierung von dreidimensionalen Mehrkomponentenmaterialien schwieriger zu fassen. Dies ist auf ein relativ großes Materialvolumen zurückzuführen, das einer photothermischen Ausdehnung unterliegt, die durch die Laserfokussierung auf die Probe und durch die thermischen Eigenschaften der polymeren Bestandteile definiert wird, verglichen mit dem nanoskaligen Bereich, der von der AFM-Spitze untersucht wird. Unter Verwendung eines Polystyrol (PS)-Kügelchens und eines Polyvinylalkohol (PVA)-Films bewerten wir den räumlichen Fußabdruck der photothermischen nanoskaligen Infrarotspektroskopie für die Oberflächenanalyse in Abhängigkeit von der Position von PS in der PVA-Schicht. Der Einfluss der Merkmalsposition auf die nanoskaligen Infrarotbilder wird untersucht und Spektren aufgenommen. Es werden einige Perspektiven auf die zukünftigen Fortschritte auf dem Gebiet der photothermischen nanoskaligen Infrarotspektroskopie unter Berücksichtigung der Charakterisierung komplexer Systeme mit eingebetteten Polymerstrukturen aufgezeigt.
Introduction
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist unerlässlich geworden, um die Morphologie einer Vielzahl von Proben mit einer Auflösung im Nanobereichabzubilden und zu charakterisieren 1,2,3. Durch die Messung der Durchbiegung eines AFM-Cantilevers, die sich aus der Wechselwirkung der scharfen Spitze mit der Probenoberfläche ergibt, wurden nanoskalige funktionelle Bildgebungsprotokolle für lokale Steifigkeitsmessungen und Spitzen-Proben-Adhäsion entwickelt 4,5. Für die Analyse weicher kondensierter Materie und Polymere sind AFM-Messungen zur Erforschung der nanomechanischen und nanochemischen Eigenschaften lokaler Domänen sehr gefragt 6,7,8. Vor dem Aufkommen der nanoskaligen Infrarotspektroskopie (nanoIR) wurden AFM-Spitzen chemisch modifiziert, um das Vorhandensein verschiedener Domänen aus der AFM-Kraftkurve zu beurteilen und die Art der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe abzuleiten. Zum Beispiel wurde dieser Ansatz verwendet, um die Transformation von Mikrodomänen von Poly(tert-butylacrylat) an der Oberfläche von mit Cyclohexan behandelten Polystyrol-Block-Poly(tert-butylacrylat)blockcopolymer-Dünnschichten auf der Ebene unter 50 nm 9 zuenthüllen.
Die Kombination von Infrarotlicht (IR) mit AFM hat einen erheblichen Einfluss auf das Gebiet der Polymerwissenschaft6. Die konventionelle IR-Spektroskopie ist eine weit verbreitete Technik zur Untersuchung der chemischen Struktur von Polymermaterialien10,11, liefert jedoch keine Informationen über einzelne Phasen und das Verhalten zwischen den Phasen, da die Bereiche im Vergleich zur Größe des IR-Strahls, der zur Untersuchung der Probe verwendet wird, zu klein sind. Das Problem besteht bei der IR-Mikrospektroskopie, da sie durch die optische Beugungsgrenze6 begrenzt ist. Solche Messungen mitteln die Beiträge der gesamten Region, die durch das IR-Licht angeregt wird; Die Signale, die aus dem Vorhandensein von nanoskaligen Phasen innerhalb des untersuchten Bereichs resultieren, weisen entweder komplexe Fingerabdrücke auf, die während der Nachbearbeitung entfaltet werden sollten, oder gehen aufgrund eines Signalpegels unterhalb des detektierbaren Niveaus verloren. Daher ist es wichtig, Werkzeuge zu entwickeln, die in der Lage sind, nanoskalige räumliche Auflösung und hohe IR-Empfindlichkeit zu erreichen, um nanoskalige chemische Eigenschaften in komplexen Medien zu untersuchen.
Es wurden Schemata entwickelt, um NanoIR-Spektroskopie zu erreichen, wobei zunächst eine metallische AFM-Spitze als Nanoantenne12,13 verwendet wurde und in jüngerer Zeit die Fähigkeit des AFM-Cantilevers ausgenutzt wurde, Änderungen der photothermischen Ausdehnung zu überwachen, die während der IR-Beleuchtung der Probe12, 14, 15 auftreten. Letzteres verwendet eine gepulste, abstimmbare IR-Lichtquelle, die auf eine Absorptionsbande des untersuchten Materials abgestimmt ist, wodurch die Probe Strahlung absorbiert und eine photothermische Ausdehnung erfährt. Dieser Ansatz eignet sich gut für organische und polymere Materialien. Durch die gepulste Anregung wird der Effekt durch den AFM-Cantilever in Kontakt mit der Probenoberfläche in Form einer Schwingung detektierbar. Die Amplitude einer der Kontaktresonanzen des Systems, die im Frequenzspektrum beobachtet wird, wird dann als Funktion der Beleuchtungswellenlänge überwacht, die das NanoIR-Absorptionsspektrum des Materials unter der AFM-Spitze15 bildet. Die räumliche Auflösung der NanoIR-Bildgebung und -Spektroskopie wird durch verschiedene Effekte der photothermischen Ausdehnung des Materials begrenzt. Es wurde evaluiert, dass die photothermische NanoIR-Spektroskopie unter Verwendung von Kontaktmodus-AFM die Eigenschaften von Schwingungsabsorptionsspektren von Materialien mit einer räumlichen Auflösung von unter 50 nmerfassen kann 14, wobei jüngste Arbeiten die Detektion von Monomeren und Dimeren von α-Synuclein16,17 demonstrieren. Quantitative Studien zur Leistung von NanoIR-Messungen an heterogenen polymeren Materialien, die in verschiedenen Konfigurationen zusammengesetzt sind, wie z. B. im Fall von Absorbern endlicher Abmessungen, die in das Volumen verschiedener Polymerfilme eingebettet sind, sind jedoch nach wie vor begrenzt.
Dieser Artikel zielt darauf ab, eine polymere Baugruppe mit einem eingebetteten Merkmal einer bekannten Dimension zu erstellen, um die Empfindlichkeit der photothermischen Ausdehnung und der räumlichen Auflösung von nanoIR während der Oberflächenanalyse zu bewerten. Das Protokoll umfasst die Herstellung eines dünnen Films aus Polyvinylalkohol (PVA)-Polymer auf einem Siliziumsubstrat und das Aufbringen einer dreidimensionalen Polystyrolperle (PS) auf oder eingebettet in die PVA-Folie, die die Bildung des Modellsystems darstellt. NanoIR-Bildgebungs- und Spektroskopiemessungen werden im Zusammenhang mit der Auswertung der Signale beschrieben, die von derselben PS-Perle erzeugt werden, die auf oder unter der PVA-Folie positioniert ist. Der Einfluss der Raupenposition auf die nanoIR-Signale wird evaluiert. Methoden zur Bewertung des räumlichen Fußabdrucks des Kügelchens in der nanoIR-Karte werden diskutiert und die Auswirkungen verschiedener Parameter betrachtet.
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Protocol
1. Herstellung von Polyvinylalkohol (PVA)-Lösung
- Messen Sie Wasser und PVA-Polymer-Pellets (siehe Materialtabelle), um eine 10-ml-Lösung mit einem PVA-Wasser-Verhältnis von 20 Gew.-% herzustellen.
- Erhitzen Sie das Wasser in den Gläsern auf einer auf 100 °C eingestellten Kochplatte.
- Geben Sie die PVA-Polymer-Pellets in das erhitzte Wasser. Setzen Sie einen magnetischen Rührstab ein.
- Die Hitze auf 80 °C reduzieren und rühren, bis sich das PVA vollständig aufgelöst hat.
- Decken Sie die Oberseite der Gläser ab, um eine Kontamination zu vermeiden.
- Sobald sie sich vollständig aufgelöst hat, geben Sie die 20%ige PVA-Lösung in einen geeigneten Aufbewahrungsbehälter und lagern Sie sie bei Raumtemperatur.
2. Herstellung von PVA-beschichteten Silizium (Si)-Wafern
- Schneiden Sie einen Silizium (Si)-Wafer (siehe Materialtabelle) in ~10 x 10 mm2 Quadrate.
- Reinigen Sie das Si-Substrat mit Isopropylalkohol und lassen Sie es trocknen.
- Legen Sie den sauberen Si-Wafer auf das Futter des Spin Coaters (siehe Materialtabelle).
- Etwa 10 μl PVA-Lösung werden in die Mitte des Si-Substrats gegossen. Versuchen Sie, Blasenbildung zu vermeiden.
- Beschichten Sie das Si-Substrat mit einer gleichmäßigen PVA-Folie durch Schleuderbeschichtung für 30 s bei 1.500 Umdrehungen pro Minute (U/min).
HINWEIS: Das angegebene Flüssigkeitsvolumen und die Spin-Coating-Parameter erzeugen eine gleichmäßige PVA-Schicht auf der Oberfläche des Substrats mit ausreichender Dicke, um ein schnelles Trocknen zwischen der Spin-Beschichtung und dem Aufbringen der PS-Kügelchen auf die PVA-Oberfläche im nächsten Schritt zu verhindern.
- Nehmen Sie die Probe aus dem Spin Coater und geben Sie sie in einen sauberen Probenbehälter, um eine Kontamination zu vermeiden, bevor Sie die PS-Kügelchen umfüllen.
3. Platzieren der PS-Perlen auf der PVA-beschichteten Oberfläche
- Reinigen Sie ein Si-Substrat mit Isopropylalkohol und lassen Sie es trocknen.
- Geben Sie mit einer Pipette 1 μl in Wasser schwebende PS-Kügelchen in die Mitte des Substrats.
- Lassen Sie das Wasser verdampfen, indem Sie die Probe in ein Lagerfach mit Bentonit-Ton-Trockenmittel geben.
HINWEIS: Dieser Schritt konserviert die Probe, indem die Feuchtigkeitsbelastung reduziert wird. - Das PVA-beschichtete Substrat (Schritt 2.4) und das Substrat mit den getrockneten PS-Kügelchen (Schritt 3.3) werden unter ein Lichtmikroskop gelegt. Je nach Größe ist eine einzelne Perle mit einem einfachen Fernglas sichtbar oder erfordert eine höhere optische Vergrößerung.
- Lockern Sie die Perlen vorsichtig mit einer ultrafeinen Pinzette (siehe Materialtabelle). Verwenden Sie einen feinen Haarpinsel, um ein paar lose Perlen zu sammeln, und klopfen Sie die Haare des Pinsels leicht über die frisch PVA-beschichtete Waffel. Mehrere Sweeps sollten es den Perlen ermöglichen, sich in den Haaren des Pinsels anzusammeln. Klopfen Sie auf die Oberseite der Pinselhaare, um das PS-Perlenpulver zu stören und Perlen auf der klebrigen PVA-Oberfläche freizusetzen.
HINWEIS: Es ist wichtig, dass der Pinsel von hoher Qualität und sauber ist, um zu vermeiden, dass Fasern und Verunreinigungen auf die Oberfläche der PVA-Folie gelangen. Bei diesem Schritt ist es wichtig, sich schnell zu bewegen, damit der PVA nicht vollständig austrocknet. - Wiederholen Sie diesen Schritt, bis durch die optische mikroskopische Inspektion bestätigt wird, dass einzelne PS-Kügelchen an der PVA-Oberfläche haften.
- Bewahren Sie die Probe in einem sauberen Behälter auf. Lassen Sie die Probe vollständig trocknen.
HINWEIS: Die Probe sollte vollständig abkühlen und trocknen, bevor weitere Analyseversuche durchgeführt werden. AFM-Höhenmessungen oder Oberflächenprofiler-Messungen können die Dicke aufeinanderfolgender PVA-Schichten beurteilen.
4. Laden der Probe für die AFM-Charakterisierung
HINWEIS: Das beschriebene Protokoll basiert auf den Standardarbeitsanweisungen einer nanoIR2-Plattform (siehe Materialtabelle), sollte jedoch entsprechend dem für die Messung verwendeten AFM-Modell angepasst werden.
- Montieren Sie die PVA- und PS-Bead-Probe mit einer metallischen AFM-Scheibe und Klebelaschen auf dem AFM-Tisch, so dass die Probe fest mit dem Probenhalter verbunden ist.
- Montieren Sie eine nanoIR-Sonde (z. B. FORTGG) auf dem AFM-Sondenhalter.
HINWEIS: Der AFM-Cantilever ist 225 μm lang, 27 μm breit und 2,7 μm dick, mit einem Spitzenradius von weniger als 10 nm. Der Cantilever ist beidseitig mit einer 45 nm dicken Goldschicht beschichtet, um seine Reaktion auf die IR-Beleuchtung der Probe auf der Oberseite zu begrenzen (siehe Materialtabelle). Verwenden Sie für NanoIR-Spektroskopie-Messungen vorzugsweise einen Cantilever, der vor der Verwendung in einer polydimethylsiloxanfreien Umgebung gelagert wurde. - Richten Sie den ausgelesenen Laser am freien Ende des Cantilever-Strahls aus, indem Sie die Laserausrichtungsknöpfe drehen (x- und y-Einstellungen der Laserposition und vertikale Einstellung der Detektorposition).
- Maximieren Sie das SUM-Signal des Detektors.
- Stellen Sie die Position des Detektors durch Drehen des Umlenkknopfes so ein, dass der Laser auf die Mitte des positionsempfindlichen Detektors des AFM-Auslesesystems ausgerichtet ist, was einem vertikalen Ablenkungssignal von ~0 V entspricht.
- Klicken Sie auf das Symbol Laden in der AFM-Systemsteuerung "Sonde".
- Folgen Sie den Anweisungen auf dem Bildschirm des Assistenten. Verwenden Sie die Fokuspfeile , um die Fokusebene des nanoIR-Cantilevers zu bestimmen. Verwenden Sie die Steuerelemente für die XY-Verschiebung, um den Ausleger in der Mitte des Bildschirms zu positionieren (ausgerichtet am weißen Kreuz).
- Klicken Sie anschließend auf die Fokuspfeile , um die Fokusebene der Oberfläche der Probe zu finden.
- Verwenden Sie die optische Ansicht des Systems und die XY-Verschiebungssteuerung, um die Kragarmspitze über der gewünschten Sicke zu positionieren, und klicken Sie auf Weiter.
- Stellen Sie auf dem Engage-Bildschirm den "Standoff" auf 50 μm ein und klicken Sie auf Approach Only.
- Starten Sie den Engage-Vorgang , um sich der Spitze für die Bildgebung zu nähern.
5. Erstellung topographischer und nanoIR-Bilder der Multipolymerprobe
- Erfassen Sie Topographiebilder im Standard-"Kontaktmodus". Sobald die Position des Auslegers in Bezug auf die PS-Wulst festgelegt ist, starten Sie die Annäherung, indem Sie auf das Engage-Symbol im AFM-Bedienfeld "Sonde" klicken. Für die gesamte Studie wird hier ein Eingriffssollwert einer Auslenkungsdifferenz von 0,2 V verwendet, was einer Kraft von ~100 nN entspricht.
Stellen Sie im AFM-Bedienfeld "Scan" die Scanrate auf 0,8 Hz, die Scangröße (Höhe und Breite) sowie die Anzahl der Punkte pro Zeile und die Anzahl der Zeilen pro Bild ein, die für die Bildgebung verwendet werden sollen (hier wurde 512 x 512 verwendet). Klicken Sie auf Scannen, um das Topographiebild aufzunehmen.
ANMERKUNG: Die Kalibrierung des Cantilevers18 erfolgt durch Bestimmen der Durchbiegungsempfindlichkeit (in nm/V) aus der Steigung der Ablenkentfernungskurve, die mit dem Ausleger in Wechselwirkung mit einem Saphirsubstrat erhalten wird (Ergänzende Abbildung 1A). Die Cantilever-Steifigkeit wird aus der thermischen Abstimmung19 bestimmt (ergänzende Abbildung 1B). Die Resonanz des Auslegers wird über eine Lorentz'sche Funktion angepasst. Die Cantilever-Steifigkeit (in N/m) wird mit Hilfe des Äquipartitionssatzes
bestimmt, wobei KBdie Boltzmann-Konstante, T die Temperatur (T = 295 K) und P der Bereich des Leistungsspektrums der thermischen Fluktuationen des Cantilevers ist, der durch Integration der Lorentzschen Anpassung der thermischen Abstimmungsdaten20 bestimmt wird. - Positionieren Sie bei NanoIR-Messungen die AFM-Spitze auf dem interessierenden Merkmal, das aus dem Topographiebild identifiziert wurde.
- Wählen Sie das Stimmgabelsymbol im nanoIR-Bedienfeld, um die Kontaktresonanzfrequenzen des Cantilevers zu bestimmen. Stellen Sie eine Beleuchtungswellenzahl ein, die die photothermische Ausdehnung im Material anregt. Stellen Sie einen Bereich der Laserpulsfrequenz für den Sweep ein und stellen Sie das Tastverhältnis des nanoIR-Lasers ein. Wählen Sie im "Laserpuls-Tune-Fenster" die Option "Erfassen " aus.
- Wählen Sie die zweite Kontaktresonanz des Spitze-Proben-Systems für NanoIR-Messungen aus, indem Sie den Markierungsbalken (grüne vertikale Linie) auf der Spitze der zweiten Kontaktresonanz positionieren.
HINWEIS: Die Auswahl des Kontaktresonanzmodus kann je nach Art des Cantilevers und der Probe variieren. - Klicken Sie auf Optimieren , um die Mitte des IR-Laser-Fokusbereichs an der Position der Cantilever-Spitze auszurichten. Die Ausrichtung erfolgt bei einer ausgewählten IR-Beleuchtungswellenzahl, die einer Absorptionsbande des untersuchten Materials entspricht. Der Ausleger befindet sich in der Mitte des Laser-Footprints (ergänzende Abbildung 2).
HINWEIS: Die Ausrichtung kann je nach Lasermodell für unterschiedliche Wellenzahlen variieren. - Verschaffen Sie sich einen Überblick über den Hintergrund der IR-Laserbeleuchtung. Diese besteht darin, die Leistung des IR-Quantenkaskadenlasers (QCL) im Wellenlängenbereich der Emission bei der gewählten Pulsfrequenz zu messen (ergänzende Abbildung 3). Dies ist wichtig für die Hintergrundkorrektur der nanoIR-Spektren.
- Erfassen Sie das nanoIR-Spektrum, indem Sie den Wellenzahlbereich ( hier werden Start und Stopp auf 1.530 cm-1 bzw. 1.800 cm-1 eingestellt), die Schrittweite (2 cm-1) und die Anzahl der für die Messung verwendeten Mittelwerte auswählen. Die Hintergrundkorrektur der angezeigten Spektren wird durchgeführt, indem die gemessene photothermische Amplitude durch den abgeschwächten Hintergrund dividiert wird, was aus der Multiplikation des in Schritt 5.2.4 erfassten Hintergrunds mit dem für die Messung ausgewählten Prozentsatz der Leistung besteht.
- Wählen Sie für die NanoIR-Bildgebung den Bereich aus, der für die Bildgebung von Interesse ist .
- Aktivieren Sie die automatische Abstimmung des Phasenregelkreises (PLL) im "Laser Pulse Tune Window" (Zugriff über das Stimmgabelsymbol ).
- Passen Sie die minimale und maximale Frequenz an, um einen Sweep-Bereich zu erstellen, der im zweiten Resonanzmodus im allgemeinen Bedienfeld zentriert ist.
- Nullen Sie die Phase, indem Sie im PLL-Bedienfeld auf Null klicken und dann im "Laser Pulse Tune-Fenster" auf OK klicken.
- Wählen Sie IR-Bildgebung aktiviert , indem Sie ein Häkchen in das Kästchen im nanoIR-Bedienfeld setzen.
- Wählen Sie im Bedienfeld "Imaging-Ansicht" die Option "Höhe " ("Imaging-Ansicht 1"), "Amplitude 2 " ("Imaging-Ansicht 2") und "Phase 2 " (Imaging-Ansicht 3), um die topografischen und chemischen Bilder der Probe zu erfassen. Legen Sie die Erfassungsrichtung auf Trace (oder Retrace) fest. Eine Linienanpassungslinie ist häufig erforderlich, um das Topographiebild der zu erfassenden Probe zu beobachten. Die Erfassungsanpassung sollte auf Keine festgelegt werden.
HINWEIS: Scaneinstellungen, wie z. B. die erfasste Scanrichtung oder die verwendete Farbpalette, können nach Bedarf angepasst werden. - Wählen Sie in der AFM-Systemsteuerung "Scannen" das Symbol Scannen aus.
- Um das Bild zu speichern, wählen Sie das Symbol "Jetzt " oder "Ende des Rahmens " in der Systemsteuerung "Aufnehmen".
- Um die Daten zu exportieren, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Bild- oder Spektrumdateinamen in den Datenlisten. Wählen Sie Exportieren und wählen Sie das Format der zu exportierenden Datei aus. Speichern Sie die Datei im gewünschten Computerordner.
bestimmt, wobei KBdie Boltzmann-Konstante, T die Temperatur (T = 295 K) und P der Bereich des Leistungsspektrums der thermischen Fluktuationen des Cantilevers ist, der durch Integration der Lorentzschen Anpassung der thermischen Abstimmungsdaten20 bestimmt wird.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PS ((C8H8)n)-Kügelchen wurden auf einem sauberen Si-Substrat (Abbildung 1A) und auf PVA ((CH2CHOH)n) (Abbildung 1B, C) abgeschieden. Aufgrund der schlechten Adhäsion des Kügelchens auf Si konnte für diese Probe keine nanoIR-Bildgebung im Kontaktmodus aufgenommen werden. Stattdessen wurde die goldbeschichtete AFM-Sonde unter Verwendung der optischen Ansicht der Probe auf nanoIR im Kontaktmodus mit einer geschätzten Kraft von etwa 100 nN auf die PS-Perle aufgesetzt (Abbildung 2A). Der gepulste IR-Laser wurde so eingestellt, dass er die Probe bei 1.730 cm-1 anregt, da sowohl PS als auch PVA bei dieser Wellenzahl absorbieren sollen. Die Pulsfrequenz des Lasers wurde gesweept, um die Kontaktresonanz des Cantilevers für die nanoIR-Spektrummessung zu bestimmen. Bei Impulsen mit der Kontaktresonanzfrequenz wurde die Cantilever-Reaktion überwacht, um die Amplitude der Schwingung zu bestimmen (Abbildung 2B). Als nächstes wurden die nanoIR-Spektren konstruiert, indem die Amplitude der Kontaktresonanz in Abhängigkeit von der Beleuchtungswellenzahl von 1.530 bis 1.800 cm-1 in Schritten von 2 cm-1 überwacht wurde (Abbildung 2C). In diesem Bereich (Abbildung 3A, Einschub) zeigte das Spektrum das Vorhandensein von zwei IR-Banden, die bei 1.600 cm-1 und 1.730 cm-1 zentriert waren, was dem vorherrschenden Dehnungsmodus des Phenylanteils und einer Teilmenge der Ringdehnung in PS entspricht21. Der Vergleich des nanoIR-Spektrums mit dem Fernfeld-Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Spektrum von PS bestätigte das Vorhandensein der aromatischen Mode bei 1.600 cm-1 (Abbildung 3A). Es wurde jedoch festgestellt, dass sich die relative Amplitude I1600/I1730 in den FTIR- und NanoIR-Spektren mit Werten von 2,9 bzw. 0,9 signifikant unterschied. Dies wurde auf den Detektionsmechanismus der NanoIR-Spektroskopie zurückgeführt, die wie bei der FTIR-Spektroskopie die photothermische Ausdehnung des Polymers anstelle seiner Absorption überwacht. Im Fall von PS entsprach dies einer höheren photothermischen Ausdehnung bei der Anregung der aromatischen Subbanden bei 1.730 cm-1. Das nanoIR-Spektrum von PVA zeigte eine bessere Übereinstimmung mit dem FTIR-Spektrum mit einer vorherrschenden Absorptionsbande, die bei ~1.730 cm-1 zentriert war (Abbildung 3B). Während diese Bande in reinem PVA, das keine C=O-Gruppe enthält, nicht erwartet wurde, deuten frühere Arbeiten darauf hin, dass das Vorhandensein der Bande aufgrund von Restacetat, das bei der Herstellung von PVA verwendet wird (Rate als ~80%-90% hydrolysiert), auf funktionelle Carbonylgruppen zurückgeführt werden kann22. Für die Zwecke dieser Studie war das Vorhandensein einer Bande bei 1.730 cm-1 geeignet, um die Wirkung der gleichzeitigen Absorption von PS und PVA zu bewerten.
Die nanoIR-Spektren wurden verwendet, um die Beleuchtungswellenzahlen für die chemische Abbildung des PS-Kügelchens, das auf der Oberfläche von PVA abgeschieden ist (Abbildung 4A-C), und des mit PVA beschichteten PS-Kügelchens (Abbildung 4D-F) auszuwählen. Die PLL-Kontaktresonanzfrequenz-Tracking-Fähigkeit des Systems wurde verwendet, um sicherzustellen, dass die Amplitudenmessung an jedem Pixel der maximalen Amplitude des Kontaktresonanzpeaks15 entsprach (2C). Die Kontaktresonanz des Cantilevers wurde gemessen, wenn die Cantilever-Spitze in Kontakt mit PVA und PS war, um einen geeigneten Bereich der PLL-Frequenzverfolgung zu bestimmen.
NanoIR-Bilder wurden erstmals bei 1.600 cm-1 aufgenommen, was dem Fall entspricht, in dem PS der vorherrschende Absorber des Systems ist (Abbildung 4Ai; Di)). Obwohl in beiden Fällen ein 5-μm-PS-Kügelchen abgebildet wurde, war die Amplitude der photothermischen Ausdehnung, die bei dieser Wellenlänge aufgezeichnet wurde, unterschiedlich, wenn die Spitze direkt mit dem PS-Kügelchen in Kontakt stand und wenn die Spitze in Kontakt mit der dünnen PVA-Beschichtung auf dem PS-Kügelchen stand. Der Anstieg der photothermischen Ausdehnung, der oberhalb des PS-Kügelchens festgestellt wurde, war signifikant geringer, wenn das Kügelchen mit der PVA-Schicht bedeckt wurde, die mit einem Oberflächenprofiler auf ~1,8 μm geschätzt wurde (Ergänzende Abbildung 4). Bei der verwendeten Laserleistung (1,47 %, was ~3,4 mW bei 1.600 cm-1 und ~3,8 mW bei 1.730 cm-1 entspricht) (Zusatztabelle 1) zeigte ein Bereich mit einem Durchmesser von ~13 μm einen leichten Anstieg der Amplitude ~2 nm über dem Signal, das auf der reinen, nicht absorbierenden PVA-Schicht abseits des PS-Kügelchens aufgezeichnet wurde. Der räumliche Fußabdruck des Amplitudenanstiegs war viel breiter als wenn sich die PS-Perle auf der PVA-Folie befand (Abbildung 4A), wo das photothermische Ausdehnungssignal asymmetrisch war, aber in einem Bereich von ~6 μm Breite in der schnellen Abtastrichtung und ~8 μm lang in der langsamen Abtastrichtung des Bildes blieb. Die Amplitudenmessungen in diesem Bereich erreichten bis zu 12,1 nm über der photothermischen Ausdehnung der reinen PVA-Schicht. Bei der Beleuchtung der Probe bei 1.730 cm-1 zeigten PS und PVA beide eine höhere Amplitude der photothermischen Ausdehnung als bei 1.600 cm-1. Im Fall des belichteten PS-Kügelchens (Abbildung 4Ci) war die photothermische Ausdehnung auf der Oberseite des Kügelchens am höchsten und erreichte Werte von bis zu 26,5 nm. Die hohe photothermische Reaktion erstreckte sich mehrere Mikrometer über den in Abbildung 4Ai beobachteten Fußabdruck hinaus. Die PVA dehnte sich aufgrund der Anregung ebenfalls aus, jedoch mit einer geringeren Amplitude, nämlich ~7,6 nm, die vom PS-Kügelchen weg aufgezeichnet wurden. Es wurde festgestellt, dass die Reaktion auf der linken Seite der PS-Perle durchweg am stärksten war. Für die eingebettete Perle (Abbildung 4F) war das Signal symmetrischer, aber die Amplitude der photothermischen Ausdehnung über der PS-Perle war nur ~2,3 nm höher als die der PVA. Dazu wurde eine konsistente photothermische Amplitude von ~13,6 nm innerhalb des 10-13 μm großen Footprints des von der PS-Erwärmung betroffenen Bereichs aufgezeichnet, der durch die Kartierung der Oberfläche mit der AFM-Sonde bestimmt wurde. Bei Messungen, die bei 1.620 cm-1 durchgeführt wurden, wurde kein Signal detektiert, was mit dem Fehlen einer nennenswerten IR-Absorptionsbande für PS und PVA in diesem Bereich des Spektrums übereinstimmt.
Als nächstes wurden die nanoIR-Spektren, die auf einem mit PS bedeckten Kügelchen gesammelt wurden, mit PVA verglichen (Abbildung 5A). Das PS-Signal bei 1.600 cm-1 war signifikant niedriger als bei der unbedeckten Perle. Trotz des geringen Beitrags des Bandes bestätigte eine weitere Analyse der Signale, dass eine Erhöhung der Laserleistung zu einem höheren Verhältnis I1600/I1730 führte (Abbildung 5B,C). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine höhere Laserleistung einer größeren Eindringtiefe entspricht, wie in Abbildung 5B dargestellt. Dies wiederum wirkt sich auf das NanoIR-Bild aus, das unter einer anderen Laserleistung aufgenommen wurde. Bei einer höheren Leistung von ~20 mW wies die photothermische Amplitude des Materials durchweg eine geringere Amplitude auf als bei niedrigeren Laserleistungen. Darüber hinaus nahm der Rauschpegel in den Spektren zu, was auf einige Instabilitäten im Material hindeutet, die wahrscheinlich auf den Temperaturanstieg im Polymer zurückzuführen sind.
Abbildung 1: Abscheidung von PS-Kügelchen. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme des 5 μm PS-Kügelchens (A) auf einem makellosen Siliziumsubstrat, (B) auf einer PVA-Folie und (C) mit PVA bedeckt. Maßstabsleiste = 1 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Prinzips der NanoIR-Bildgebung und -Spektroskopie. (A) Der gepulste IR-Laser wird auf den Kontaktpunkt der metallischen AFM-Auslegerspitze mit der Probe ausgerichtet und fokussiert. Der Cantilever misst die photothermische Reaktion des Materials, die sich aus der IR-Absorption ergibt. Die beidseitige Goldschicht wird verwendet, um den photothermischen und akustischen Beitrag des Cantilevers während der Messung zu reduzieren, der die NanoIR-Messung der Probe stören würde. (B) Signal des positionsempfindlichen Detektors, der die Auslenkung des Cantilevers im Zeitbereich [S(t)] und Frequenzbereich [S(ω)] überwacht. Die Kontaktresonanzmoden des Cantilevers werden durch Lock-in-Verstärkermessungen identifiziert. Die zweite Kontaktresonanz wird für das PLL-Tracking während der Bildgebung verwendet. Gemessen wird die Amplitude der Kontaktresonanzmode Acr2 . (C) NanoIR-Spektrum, das durch Überwachung der Änderung der Amplitude Acr2 als Funktion der Beleuchtungswellenzahl erhalten wird. Das NanoIR-Bild wurde durch die Überwachung der Änderung der Amplitude Acr2 in Abhängigkeit von der Position der Spitze auf der Probe erhalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: IR-Spektren von PS und PVA. (A) FTIR-Spektrum von PS. Der rote Kasten zeigt den Bereich des mit der NanoIR-Spektroskopie untersuchten Spektrums an. Das entsprechende nanoIR PS-Spektrum ist im Einschub enthalten. (B) FTIR-Spektrum von PVA. Der rote Kasten zeigt den Bereich des mit der NanoIR-Spektroskopie untersuchten Spektrums an. Das entsprechende nanoIR PVA-Spektrum ist im Einschub enthalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: NanoIR-Bildgebung. Die PS-Perle (A-C) wird auf der Oberfläche von PVA abgeschieden und (D-F) ist in PVA eingebettet, wie in den Einsätzen dargestellt. NanoIR-Karten, die bei (A i,Di) 1.600 cm-1, (B I,EI) 1.620 cm-1 und (C I,FI) 1.730 cm-1 aufgenommen wurden, werden auf der 3D-Topographiekarte überlagert. Entsprechende Topographie- und NanoIR-Profile, die entlang der weiß gestrichelten Linie extrahiert wurden, sind in den jeweiligen Diagrammen dargestellt (ii). Maßstabsleiste = 5 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: NanoIR-Spektrum, das von der AFM-Spitze in Kontakt mit dem mit PVA beschichteten PS-Kügelchen erfasst wird. (A) NanoIR-Spektren, die bei p1 = 1,47 %, p2 = 2,48 %, p3 = 5,20 % und p4 = 11 % der Laserleistung erfasst werden. Die Laserleistung variiert in Abhängigkeit von der Wellenlänge, die durch eine abgeschwächte Hintergrundkorrektur für jeden Fall korrigiert wird. (B) Schematische Darstellung der Wirkung der Laserleistung auf die Stärke der gesammelten Signale. (C) Verhältnis I1600/I1730 in Abhängigkeit von der Laserleistung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 1: Kalibrierung des nanoIR-Cantilevers. (A) Ablenkungsabstandskurve auf einem Saphirsubstrat. Die Steigung der Rückzugskurve gibt die Durchbiegungsempfindlichkeit des Auslegers an, der zur Berechnung der Federkonstante verwendet wird. (B) Cantilever-Resonanzfrequenz, bestimmt durch thermische Abstimmung zur Berechnung der Federkonstante. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 2: IR-Laser-Footprint. Die Schwingungsamplitude des Cantilevers in Kontakt mit der Probenoberfläche wird in Abhängigkeit von der Position des IR-Lasers erfasst. Die Ausrichtung des IR-Lasers wird mit Hilfe eines beweglichen Spiegels variiert. Die Position des Spiegels wird so eingestellt, dass die Mitte des Fokusvolumens (roter Bereich) an der Position des Auslegers (Mitte des weißen Kreuzes) ausgerichtet ist. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 3: Laserausgangsleistung (in mW) in Abhängigkeit von der Wellenzahl. Die Ausgangsleistung des QCL-Lasers wird mit einem Standard-IR-Detektor von 1.530 cm-1 bis 1.800 cm-1 in Schritten von 2 cm-1 bei der Pulsfrequenz bestimmt, die der für die nanoIR-Messungen verwendeten Einstellung entspricht. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 4: PVA-Dickenmessungen, die durch konfokale Laser-Oberflächenprofilometrie gewonnen wurden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Tabelle 1: Die Laserleistung in Milliwatt für jede Wellenzahl. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
AFM in Kombination mit NanoIR-Spektroskopie kann chemische Informationen im Nanobereich liefern, indem ein Cantilever im Kontaktmodus und eine gepulste, abstimmbare IR-Lichtquelle verwendet werden. Modellsysteme, wie z.B. die Einbettung eines Absorbers mit endlichen Abmessungen in das Volumen eines polymeren Materials, sind wichtig, um das Verständnis der Bildentstehungsmechanismen zu verbessern und die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs zu bestimmen. Im Fall der hier vorgestellten PS/PVA-Konfiguration wurde eine Optimierung durchgeführt, um eine stabile PS-Raupe zu erhalten, die über oder unter der Oberfläche der PVA-Folie positioniert ist. Es zeigte sich, dass das Abscheiden der PS-Kügelchen unmittelbar nach dem Entfernen des beschichteten Si-Substrats aus dem Spin Coater zu einer besseren Haftung führte. Die Viskosität der PVA-Schicht kann die Positionierung der Perle in Bezug auf die PVA-Folienoberfläche beeinflussen. Das Erhitzen der Probe für ca. 15 min bei ~200 °C ermöglichte eine tiefere Implantation der Kügelchen.
Dank der Größe der PS-Perlen (hier 5 μm) ist eine schnelle Ausrichtung der Cantilever-Spitze auf die Mitte der Raupe mit dem im nanoIR-System eingebauten optischen Mikroskop möglich. Während PS-Kügelchen und Mikrobläschen im PVA optisch kaum unterschieden werden können, kann die nanoIR-Analyse die Zusammensetzung der Probe bestätigen. Während der Beitrag des IR-Bandes bei 1.600 cm-1 schwach sein kann, wenn das PS-Kügelchen mit einem anderen Polymer bedeckt ist, wie in Abbildung 5 dargestellt, kann eine hohe Laserleistung den Beitrag von PS bei 1.600 cm-1 im direkt darüber erfassten nanoIR-Fingerabdruck erhöhen, wobei der Cantilever mit dem PVA-Overlay in Kontakt steht. Es wird erwartet, dass PS-Kügelchen mit kleineren Durchmessern mit optischer Mikroskopie schwieriger zu lokalisieren sind und ein geringeres Signal zum nanoIR-Spektrum beitragen. In einem solchen Fall sollten AFM-Bildgebung und NanoIR-Messungen der PS-Kügelchen vor der Abscheidung der PVA-Deckschicht in Betracht gezogen werden, zusammen mit der Markierung der Probe, um sicherzustellen, dass die Position der eingebetteten PS-Kügelchen bekannt ist. Trotz dieser vorhergesehenen Herausforderungen hat dieser Ansatz zur Vorbereitung von Modellsystemen den Vorteil, dass er kostengünstig und leicht verfügbar ist. Das Profil der Topographie der Perle könnte zur Schätzung der Wulstposition verwendet werden, obwohl der sogenannte Spitzeneffekt berücksichtigt werden sollte, um den Durchmesser des abgebildeten Merkmals zu beurteilen.
In Bezug auf die Datenerfassung und -analyse zeigen die mit nanoIR in dieser Studie erzeugten Daten mehrere unerwartete Instabilitäten der Spitze-Proben-Wechselwirkung bei Verwendung eines weicheren nanoIR-Cantilevers und bei Erhöhung der Laserleistung. NanoIR-Bilder, die mit einem weicheren Cantilever (k < 0,4 N/m) aufgenommen wurden, waren trotz eines stabilen Topographiebildes in der Nähe des durch das IR-Licht angeregten PS-Kügelchens durchweg instabil. Die in dieser Studie aufgezeichneten nanoIR-Spektren von PS und PVA stimmen gut mit den häufig berichteten FTIR-Spektren der entsprechenden Bulk-Polymereüberein 21,22. Die beiden unterschiedlichen Absorptionsbanden bei 1.600 cm-1 (nur PS) und 1.730 cm-1 (PS und PVA) bieten eine Möglichkeit, die Wirkung der Anregung des einzelnen Kügelchenabsorbers unter der Oberfläche zu vergleichen. Die in Abbildung 4 dargestellten nanoIR-Bilder zeigen, dass das Signal in der Nähe des Kügelchens stark ist, wenn das PS-Kügelchen belichtet wird, aber deutlich abnimmt, wenn ein PVA-Dünnfilm das Kügelchen bedeckt. Die Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass ein Kügelchen mehr als 1 μm unter der Oberfläche in der nanoIR-Karte nachgewiesen werden kann, sowohl wenn das System bei 1.600 cm-1 als auch bei 1.730 cm-1 angeregt wird. Die vom Cantilever erfasste Amplitude erhöht sich in beiden Fällen um ~2 nm direkt über der Perle in der Karte. Obwohl die Amplitude gering ist, ist die Grundfläche dieser Ausdehnung für die 1.600 cm-1-Anregung etwa 13 μm breit, was viel größer ist als der Durchmesser des Kügelchens, was bestätigt, dass die Wärme vom PS-Absorber zum PVA diffundiert. Diese Joule-Ausdehnung kann die räumliche Auflösung von nanoIR auf heterogenen Materialien beeinflussen, wobei ein stärkerer Effekt zu erwarten ist, wenn sich der Absorber näher an der Oberfläche befindet. Die größere Reaktion der Probe bei 1.730 cm-1 stimmt mit den in Abbildung 5 dargestellten NanoIR-Spektren überein und zeigt, dass der Beitrag der Bande bei 1.600 cm-1 viel schwächer ist als bei 1.730 cm-1.
Der derzeitige Ansatz weist einige Einschränkungen auf. Die Positionierung der Perlen unter der Oberfläche von PVA bei gleichzeitiger Begrenzung der topographischen Unebenheit auf der Oberfläche des Modellsystems bleibt unerreichbar. Es kann sogar erforderlich sein, dass eine so dicke Beschichtung erforderlich ist, dass das Kügelchen aus Sicht der NanoIR-Spektroskopie nicht mehr nachweisbar wird. Die Tiefe der Perle ist sowohl schwer zu kontrollieren als auch zu charakterisieren, was es schwierig machen würde, ausreichende Informationen für die Modellierung für eine genaue Darstellung des Modellsystems bereitzustellen. Um ein vollständigeres Bild des Einflusses der Größe und Tiefe des Absorbers unter der Oberfläche auf das an der Oberfläche gemessene NanoIR-Signal zu erhalten, müssten die Abmessungen und Positionen der Perle genauer variiert werden. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass in einem real komplexen System mehrere unterirdische Absorber mit unterschiedlichen Größen, Positionen und Zusammensetzungen die Messungen stören würden, was in diesem Modell nicht beschrieben wird.
Nichtsdestotrotz bestätigen die Messungen, dass es von der Signalerzeugung an multipolymeren Proben für die nanoIR-Charakterisierung viel zu lernen gibt. Eine weitere Optimierung des Probenvorbereitungsprotokolls sollte vorgenommen werden, um die Tiefe, in der das PS-Kügelchen eingebettet wird, kontrollierbar zu variieren, um eine umfassendere Analyse zu ermöglichen, wie die photothermische Ausdehnung an der Oberfläche von PVA durch den unterirdischen Absorber beeinflusst wird. Die Kombination der für die Messungen verwendeten Polymere kann ebenfalls variiert werden, um die Rolle der Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeausdehnung und der mechanischen Eigenschaften für die Leistung der nanoIR-Messungen für heterogene Materialien zu bestimmen. Dies stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, um das Verhalten der Probe für die NanoIR-Spektroskopie und -Bildgebung besser zu verstehen, und soll die Quantifizierung der Eindringtiefe, der räumlichen Auflösung und der Empfindlichkeit des Werkzeugs weiter erleichtern. Dies ist besonders wichtig angesichts des Aufkommens neuer Bildgebungsmethoden, wie z. B. des Multifrequenz-NanoIR15,23, bei denen die Art der Informationen und die Auswirkungen der Betätigungsparameter auf die Leistung der Werkzeuge noch unzureichend verstanden sind. Um das Verständnis der gesammelten Daten zu vertiefen, ist es wichtig, den experimentellen Ansatz mit der Multiphysik-Modellierung24 zu kombinieren. Die Berücksichtigung eingebetteter Merkmale unterschiedlicher Größe und die Variation ihrer Position unter der Oberfläche ist entscheidend für die Entwicklung eines umfassenderen Modells. Dies wiederum wird das Feld der NanoIR-Spektroskopie in Richtung Anwendungen realer heterogener und dreidimensionaler Materialien voranbringen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation unterstützt (NSF CHE-1847830).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 10|0 2200 Golden Taklon Round | Zem | ||
| 5357-8NM Tweezers | Pelco | ||
| Adhesive Tabs | Ted Pella | 16079 | |
| AFM metal specimen disks | Ted Pella | 16208 | |
| Binocular | AmScope | ||
| Cantilever for nanoIR measurements | AppNano | FORTGG | |
| Cell culture dishes | Greiner bio-one GmbH | ||
| Desiccator | |||
| Floating optical table | Newport | RS 4000 | |
| Hotplate | VWR | ||
| Isopropanol | |||
| Kimwipes | KIMTECH | ||
| Magnetic stir bar | |||
| Microparticles based on polystyrene size: 5 µm | SIGMA-ALDRICH | 79633 | |
| nanoIR2 microscope | Bruker | Contact mode NanoIR2 | |
| Nitrogen Tank | Airgas | ||
| Petri dishes | Greiner bio-one GmbH | ||
| Polyvinyl Alcohol | SIGMA-ALDRICH | 363170 | this polymer was only 87%-89% hydrolyzed, which explains the presence of residual C=O at 1730 cm-1 |
| Quantum Cascade Laser | Daylight Solutions | 1550-1800 cm-1 range | |
| Silicon wafer | MEMC St. Peters | #901319343000 | |
| Spin coater | Oscilla |
References
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