Generation and detection of photo-thermal and photo-acoustic waves in solids for advanced near-field IR imaging

Abstract

Die Infrarotspektroskopie mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM-IR) hat sich als unverzichtbares Werkzeug für die chemische Bildgebung im Nanometerbereich etabliert und bietet eine Ortsauflösung, die weit über das Beugungslimit konventioneller Infrarotspektroskopie hinausgeht. In einem typischen AFM-IR-Aufbau wird ein gepulster IR-Laser gezielt auf die Probenoberfläche im Bereich der Spitze eines AFM-Kantilevers fokussiert. Diese Kombination aus der hohen lateralen Auflösung der AFM und der chemischen Spezifität der IR-Spektroskopie ermöglicht detaillierte Untersuchungen einer Vielzahl von Materialien – von Polymeren und biologischen Geweben bis hin zu Nanomaterialien. Dennoch sind die Mechanismen der Signalerzeugung und die erzielte Ortsauflösung, insbesondere bei komplexen und inhomogenen Proben, nach wie vor nicht vollständig verstanden und schwer vorhersagbar. Obwohl AFM-IR mittlerweile eine etablierte Methode zur chemischen Bildgebung in unterschiedlichen Anwendungsfeldern darstellt, beruhen viele theoretische Modelle auf stark vereinfachten Geometrien, die die Komplexität realer Probenstrukturen nur unzureichend erfassen. Frühere Modelle, beispielsweise von Dazzi et al. [1, 2], beschreiben die thermische Ausdehnung homogener Materialien, berücksichtigen jedoch nicht die laterale Auflösung. Spätere Erweiterungen [3, 4] integrieren Materialgrenzflächen, basieren jedoch auf idealisierten Randbedingungen, die in heterogenen Systemen selten erfüllt sind. Viele praktische Proben – etwa biologische Strukturen, Dünnschichten oder Verbundmaterialien – bestehen aus absorbierenden Domänen, die in eine größere Matrix eingebettet sind, was zu komplexen Signaltransduktionsmechanismen führt. Diese Einschränkungen verdeutlichen den Bedarf nach umfassenderen Modellen, die Probeninhomogenität, laterale Auflösung und realistische thermische Wechselwirkungen adäquat berücksichtigen – zentrale Herausforderungen, denen sich diese Arbeit widmet. Im Rahmen dieser Dissertation werden mehrere Fortschritte in Theorie und Anwendung der AFM-IR vorgestellt. Zunächst wird ein analytisches Modell der Punktverteilungsfunktion (Point Spread Function, PSF) entwickelt, das wesentliche Einflussfaktoren wie Größe und Position des Absorbers, Eigenschaften der umgebenden Matrix sowie Parameter des Laserpulses berücksichtigt. Durch die Verwendung von Green’schen Funktionen ermöglicht dieses Modell eine recheneffiziente und zugleich genaue Beschreibung der Signalentstehung und übertrifft dabei herkömmliche Finite-Elemente-Simulationen (FEM) in Bezug auf Rechenzeit und Interpretierbarkeit. FEM-Simulationen und experimentelle Validierungen bestätigen die Genauigkeit des Modells und zeigen auf, wie Parameter wie Pulsdauer, Repetitionsrate und interfacialer thermischer Widerstand die Signalintensität und Ortsauflösung beeinflussen. Das PSF-Modell liefert damit ein vertieftes Verständnis der AFM-IR-Antwort und dient als vielseitiges Werkzeug zur Optimierung experimenteller Konfigurationen. Über die theoretischen Fortschritte hinaus untersucht diese Arbeit den Einfluss von Probengröße, -geometrie und Oberflächentopographie auf die AFM-IR-Signalerzeugung. Mithilfe moderner Nanofabrikation werden Proben mit definierten Absorberdimensionen und komplexen topographischen Strukturen hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere die Oberflächentopographie – vor allem bei dreidimensionalen Strukturen – das gemessene Signal maßgeblich beeinflusst. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die präzise Interpretation von AFM-IR-Daten, insbesondere in Anwendungsbereichen wie Nanoelektronik, Energiematerialien und biologischen Systemen, in denen komplexe Geometrien typisch sind.Darüber hinaus werden neuartige optomechanische AFM-Sonden vorgestellt, die optische Mikroringresonatoren mit freitragenden Cantilevern integrieren. Diese Sonden erreichen eine bisher unerreichte Empfindlichkeit hinsichtlich Verschiebung und Kraft, mit Nachweisgrenzen im Sub-Femtometer- bzw. Pikonewton-Bereich. Die experimentelle Validierung bestätigt die überlegene Leistungsfähigkeit dieser Sonden im Vergleich zu konventionellen AFM-Kantilevern. Die verbesserte Mikroringstruktur eröffnet vielfältige Anwendungen in der Materialcharakterisierung und in biologischen Studien. Die Kopplung optischer und mechanischer Komponenten stellt einen bedeutenden Fortschritt in der hochpräzisen Nanosensorik dar.Weitere Verbesserungen der AFM-Sensortechnologie werden durch die Integration von Photonischen Kristallkavitäten mit freitragenden Cantilevern erreicht. Aufgrund ihrer hohen Qualitätsfaktoren und Resonanzeigenschaften ermöglichen diese Strukturen äußerst empfindliche Messungen von Kräften und Verschiebungen. Zusätzlich werden Designs mit Bragg-Gittern auf Mikrocantilevern untersucht, die auf Silicon-on-Insulator (SOI)-Substraten gefertigt und mithilfe von Multiphysik-Simulationen charakterisiert werden. Diese Simulationen koppeln mechanisch induzierte Brechungsindexänderungen mit elektromagnetischen Wellenmoden und ermöglichen hochpräzise, quantitative Messungen mit erweitertem Dynamikbereich. Die Umsetzung dieses neuartigen photonischen Transduktors erweitert den Anwendungshorizont der AFM-Technik insbesondere in Umgebungen, in denen höchste Präzision erforderlich ist. Indem diese Arbeit bestehende Lücken in der theoretischen Modellierung wie auch in der experimentellen Umsetzung von AFM-IR und optomechanischen Sonden adressiert, leistet sie einen bedeutenden Beitrag zur Weiterentwicklung der hochauflösenden Nano-Bildgebung und Sensorik. Die Integration neuartiger Modelle, innovativer Fertigungstechniken und optomechanischer AFM-Sonden eröffnet neue Möglichkeiten für die Forschung und Anwendung in der Nanotechnologie, Materialwissenschaft und Biomedizin.

Atomic force microscopy-infrared (AFM-IR) spectroscopy has become an essential tool for nanoscale chemical imaging, offering spatial resolution beyond the diffraction limit of conventional infrared spectroscopy. A typical AFM-IR setup directs a pulsed IR laser onto the sample, precisely at the tip of an AFM cantilever. This combination of AFM’s high spatial resolution and infrared spectroscopy’s chemical specificity enables detailed studies of a wide range of materials, from polymers and biological tissues to nanomaterials. However, the factors influencing AFM-IR signal generation and spatial resolution-especially in complex and inhomogeneous samples-remain challenging to fully understand and predict. While AFM-IR is a well-established technique for chemical imaging across various fields, existing theoretical models often rely on simplified geometries that do not fully capture the complexities of real-world samples. Early models, such as those by Dazzi et al. [1, 2], describe thermal expansion in homogeneous materials but overlook spatial resolution. Later refinements [3, 4] account for interfaces between distinct materials, yet they assume idealized boundary conditions that rarely apply to heterogeneous systems. Many practical samples, including biological structures, thin films, and composite materials, consist of absorbers embedded within a larger matrix, leading to complex signal transduction mechanisms. These limitations highlight the need for a more comprehensive model that accurately accounts for sample heterogeneity, spatial resolution, and realistic thermal interactions-key challenges our study seeks to address. This thesis addresses these challenges by introducing several advancements in AFM-IR theory and application. First, I develop an analytical point spread function (PSF) model that accounts for key factors such as absorber size, position, surrounding matrix properties, and laser parameters. By using Green’s functions, this model offers a computationally efficient and accurate description of the signal generation process, outperforming conventional finite element method (FEM) simulations. FEM verification and experimental validation confirm the model’s accuracy, revealing how variables like laser pulse width, repetition rate, and interfacial thermal resistance affect AFM-IR’s signal amplitude and spatial resolution. This PSF model provides deeper insights into the AFM-IR response and serves as a versatile tool for optimizing experimental setups, opening the door to advanced AFM-IR techniques. Beyond theoretical advancements, this thesis investigates the impact of sample’s size, geometry, and surface topography on AFM-IR signal generation. Advanced nano-fabrication techniques are employed to create samples with controlled absorber sizes and complex surface features. The findings highlight the significant role of surface topography, particularly in complex three-dimensional structures, in shaping the detected signal. These insights are crucial for accurate interpretation of AFM-IR data, especially in applications related to nanoelectronics, energy materials, and biological systems, where complex geometries are common. Advancements in optomechanical AFM probes are also introduced, integrating optical micro-ring resonators with suspended cantilevers. These optomechanical AFM probes achieve unprecedented displacement and force sensitivities, enabling piconewton-scale force detection and sub-femtometer displacement measurements. Experimental validation confirms the superior performance of these probes compared to conventional AFM cantilevers. The experimental validation of the micro-ring resonator design demonstrates its enhanced performance, with applications extending to material characterization and biological studies. The integration of optical and mechanical systems represents a significant advancement in nanoscale sensing. Further improvements in AFM sensing capabilities are introduced by integrating photonic crystal cavities with suspended cantilevers, leveraging the high-quality factor and resonance characteristics of photonic crystal cavities. Additionally, designs incorporating Bragg gratings on micro-cantilevers fabricated on silicon-on-insulator (SOI) wafers are explored through Multiphysics simulations, integrating mechanical bending-induced refractive index changes into electromagnetic wave simulations. These sensors enable highly accurate and quantitative measurements of force and displacement, improving sensitivity and broadening the dynamic range. The implementation of this novel photonic transducer expands the scope of AFM applications, particularly in environments requiring precise measurements. By bridging gaps in both theoretical and experimental aspects of AFM-IR and optomechanical AFM probes, this thesis advances high-resolution nanoscale imaging and sensing. The integration of novel theoretical models, advanced fabrication techniques, and optomechanical AFM probes expands the capabilities of AFM, offering new opportunities for research and applications in nanotechnology, materials science, and biomedical research.