Development and characterization of a near-field infrared microscope by the coupling of AFM and QCL spectroscopy

Abstract

Infrarotspektroskopie und -imaging sind zerstörungfreie, molekülspezifische Techniken zur chemischen Analyse. Sie haben, beispielsweise in der Materialwissenschaft, der Biologie, Medizin und in der Qualitätskontrolle breite Anwendung gefunden. Ein wichtiger limitierender Faktor für die bildgebende Infrarotspektroskopie liegt in ihrer beschränkten Ortsauflösung. Diese liegt bedingt durch das Rayleigh Kriterium im unteren Mikrometerbereich. Um die Ortsauflösung zu verbessern, können rastersondenbasierte Nahfeldmethoden verwendet werden. Eine vielversprechende Nahfeld-Methode ist die resonanzverstärkte photothermisch induzierte Resonanz (RE-PTIR). Diese Methode kombiniert einen gepulsten, durchstimmbaren Infrarotlaser mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM), um eine Ortsauflösung besser als 50nm im mittleren Infrarot zu erreichen. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein RE-PTIR Aufbau implementiert. Dazu wurde ein kommerziell erhältliches AFM mit einem gepulsten, breit durchstimmbaren Quantenkaskadenlaser mit externer Kavität (EC-QCL) kombiniert. Das Durchstimmverhalten des Lasers wurde mittels step-scan Fouriertransform Infrarotspektroskopie charakterisiert. Für ein möglichst hohes RE-PTIR Signal muss der Anregungslaser möglichst eng auf die Probe fokussiert werden. Hierfür wurden zwei verschiedene optische Aufbauten zum Fokussieren des Laserstrahls realisiert und getestet. Der Durchmesser des Brennpunkts wurde mittels wellenoptischer Simulation optimiert. Anhand erster Versuche wurde deutlich, dass Änderungen der Kontaktresonanzfrequenz die Stabilität und Richtigkeit der Messungen negativ beeinflussten. Um diese Änderungen zu kompensieren, wurde eine Kontrollelektronik entwickelt. Diese Schaltung erzeugt Triggerpulse für den EC-QCL und digitalisiert die dadurch erzeugten Schwingungen des AFM Hebels. Um flexible und parallele elektronische Datenverarbeitung zu ermöglichen, wurden die zur Auswertung und Steuerung notwendigen Rechenschritte auf einem FPGA (engl.: field programmable gate array; dt.: im Feld programmierbares Logikgatter) durchgeführt. Die erstellte Schaltung gab nach der Auswertung das PTIR Amplitudensignal mittels eines analog-digital Wandlers aus, um die ortsspezifische Aufnahme des Signals mit einem AFM Controller zu ermöglichen. Gleichzeitig mit der Programmierung der Kontrollelektronik wurde auch ein digitaler Prüfstand geschrieben, der das Photoexpansionssignal für beliebige Pulsfolgen simulierte. Die fertige Elektronik verwendete den Betrag der Auslenkung des AFM Hebels um die Amplitude der Schwingung des AFM Hebels zu bestimmen. Ein vom Benutzer definierter Frequenzbereich wurde wiederholt rasch abgetastet um die maximale Amplitude zu finden. Am Ende dieser Arbeit konnte mit dem RE-PTIR Aufbau durch Verwendung einer Lichtquelle, die vier EC-QCLs kombiniert, ein spektraler Bereich von 1039.6 cm-1 abgedeckt werden. Die Schaltung konnte Sprünge der Resonanzfrequenz größer als 10 kHz ausgleichen und gleichzeitig ihren Ausgabewert oft genug aktualisieren, sodass Kontakt-AFM Messungen mit einer Zeilengeschwindigkeit von einer Zeile pro Sekunde möglich waren. Die Aktualisierung des Ausgabewerts konnte 350 mal pro Sekunde durchgeführt werden ohne die gemessene Form der Resonanzkurve zu verändern. Die entwickelte Elektronik erlaubte auch, Einzelpunktspektren über den gesamten Durchstimmbereich des EC-QCLs mit einer spektralen Auflösung von etwa 1 cm-1 aufzunehmen. Mit dem entwickelten Nahfeld-Infrarot Aufbau wurden Spektren von Polymerfilmen bis zu einer Dicke von 60nm aufgenommen, die in guter Übereinstimmung mit im Fernfeld gemessenen Referenzspektren waren. Auch Filme mit einer Dicke von 8nm konnten noch anhand ihrer stärksten Absorptionsbanden identifiziert werden. Durch Verwendung der Kontrollelektronik konnte die relative Standardabweichung des Signals im Vergleich zu lock-in Verstärkerbasierten Messungen ohne Kompensation der Änderung der Resonanzfrequenz um einen Faktor 10 verbessert werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass mit RE-PTIR auch zeitaufgelöste Messungen möglich sind. Die Änderung der Sekundärstruktur eines Poly-L-Lysin Polypeptid-Films wurde im Nahfeld spektroskopisch verfolgt. Da die Änderung der Sekundärstruktur eines Polypeptids sich im mittleren Infrarotbereich als Verschiebung der Amid I Bande manifestiert, reicht es zur Detektion der Änderung der Sekundärstruktur nicht aus die Änderung der Absorption an einer einzelnen Wellenlänge zu verfolgen. Stattdessen ist es notwendig, den gesamten Amid I Bereich aufzuzeichnen. Durch Verwendung offener, gut dokumentierter Elektronik und frei verfügbarer Software konnte die Steuerelektronik in einer offenen und flexiblen Bauweise erstellt werden. Dies wird in Zukunft die einfache Rekonfigurierung und Verbesserung der Elektronik erlauben, sowie den Nachbau durch Dritte ermöglichen.

Infrared spectroscopic imaging is a non-destructive, molecular specific technique for chemical analysis. It has found wide application in material science, bio-medicine and quality control. However, infrared imaging has one major limitation: its spatial resolution is Rayleigh limited to the low micrometer range. To overcome this limitation and improve the spatial resolution of infrared imaging scanning probe based near-field imaging techniques can be used. Resonance enhanced - photothermal induced resonance (RE-PTIR) is a promising near-field imaging technique for the mid-infrared spectral range. It combines a tunable pulsed infrared laser and an atomic force microscope (AFM) to achieve infrared imaging at a resolution better than 50 nm. In this work a RE-PTIR setup was designed and assembled from a commercially available AFM and a pulsed, broadly tunable external cavity - quantum cascade laser (EC-QCL). The laser tuning behavior was characterized by performing Fourier transform infrared (FTIR) step scan measurements. To optimize the laser spot size two different methods of focusing the laser were implemented and tested. Using physical optics propagation simulation the spot size of the laser beam on the sample was optimized. As the need for tracking the contact resonance frequency to achieve stable measurements became apparent, a controller for tracking the resonance was designed and constructed. The controller generated trigger pulses for the EC-QCL and digitized the resulting cantilever deflection signal. To allow flexible, parallel digital signal processing, the calculations needed for resonance tracking were performed on a field programmable gate array (FPGA). After evaluation, the results were output to the AFM controller via digital analog converters (DACs) to enable the acquisition of location specific photothermal induced resonance (PTIR) signals. The FPGA programming to control RE-PTIR measurements was developed in tandem with a test bench that simulated the photo-expansion signal for a given laser pulse train. The finished controller used the modulus of the cantilever deflection signal to determine the amplitude of the cantilever and swept a range of frequencies to ensure that the maximum amplitude of a resonance mode was detected. In its implementation at the end of this work, the RE-PTIR setup covered a spectral range of 1039.6 cm-1 by using a source that combined the output of four EC-QCLs . The controller electronics allowed to track shifts of the contact resonance across jumps >10 kHz while generating updated infrared near-field measurements fast enough to allow contact mode imaging at usual speeds of - 1 line per second. Update rates of 350 Hz of the PTIR were easily possible without distorting the shape of the resonance curve. Each update included a full sweep of the selected range of the resonance, detection of the maximum amplitude and output of the amplitude value. The system also allowed to acquire single point spectra across the whole range of the EC-QCL source at a spectral resolution sufficient for solid state spectroscopy (-1 cm-1). Using this setup, spectra of polymer films down to a thickness of 60nm were collected. These were in excellent compliance with far field infrared reference spectra. For a polymer film as thin as 8nm detection of strong absorption bands was demonstrated to be still possible. A ten fold improvement in the signal to noise ratio was achieved in comparison to a lock-in detector by using the controller. Time resolved infrared near-field measurements recording the change in secondary structure of a poly-L-lysine polypeptide film were demonstrated using the PTIR setup. In order to detect the changes in the secondary structure PTIR spectra across the peptide amide I band had to be acquired, as the change manifests as a band shift in the infrared spectrum. The controller has been designed in an open and flexible way, using open electronics and freely available software. This will allow facile reconfiguration for future improvements and replication by others.