Charakterisierung eines neuartigen AFM-IR Systems anhand von Modellproben

Abstract

Für die Erforschung und Entwicklung neuer Materialien ist es notwendig deren Struktur und die Zusammensetzung genau zu kennen. In der Biologie und Medizin gibt es Vorgängen in Zellen, Bakterien und weiteren Mikrosystemen die noch unbekannt sind bzw. noch nicht erforscht werden konnten. Die Nanoanalytik spielt für das Vorantreiben neuer Technologien im Feld der Nanotechnologie und im Erforschen von Mikrosystemen eine große Rolle. Die Infrarotspektroskopie und ihre Image-Anwendungen besitzen gegenüber anderen Techniken den großen Vorteil, dass sie zerstörungsfreie Analytik betreibt. Mit herkömmlichen Infrarotmikroskopen ist es aber nicht möglich Nanoanalytik zu betreiben, da ihre Auflösung durch das Rayleigh-Limit beschränkt ist. Mit der Entwicklung der resonance enhanced Photothermal Induced Resonance (RE-PTIR) und ihrer Anwendung in AFM-IR Geräten wird das Rayleigh-Limit umgangen. AFM-IR verbindet die hohe chemische Auflösung der Infrarotspektroskopie mit der großen räumlichen Auflösung der Atomic-Force-Microscopy (AFM). Die Auflösungsgrenze wird dadurch bis in den unteren zweistelligen Nanometerbereich verschoben. In dieser Arbeit wurde die räumliche Auflösung des AFMIR, eines auf der TU Wien entwickelten AFM-IR Analysensystems, bestimmt. Dafür wurden im Rahmen der Arbeit hergestellte Referenzproben durch Micro-Phase Separation aus Polystyrol und Polymethylmethacrylat Blend verwendet. Die Ergebnisse der Imageaufnahmen aus der AFMIR-Messung wurde mit denen aus einer Routineanwendung der Atomic-Force-Microscopy des Phase-Imaging Modus verglichen und mittels Bildverarbeitungs- und statistischen Methoden ausgewertet. Vorerst kann die erreichbare räumliche Auflösung des AFMIR mit 80 nm angegeben werden. Weiters wurde die Anwendung des AFM-IR Analysensystems für Halbleiterindustrieproben getestet. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit dem dargestellten Design eines AFM-IR erfolgreich Analytik im Nanometerbereich betrieben werden kann.

For the research and development of new materials it is important to know their chemical structure and composition. There are processes in cells, bacteria and other microsystems which are not known or couldn´t be studied with common analytics. Nanoanalytics play a key role in pushing nanotechnology and studying microsystems. In the field of nanoanalytics using infrared microspectroscopy isn´t possible because of the diffraction limit. Now with a new technology which is called AFM-IR it is possible to use infrared spectroscopy for measuring nanoscale objects. The spatial limit of the instrument isn`t diffraction limited. AFM-IR combines the high spatial resolution of the atomic force microscopy (AFM) with the high chemical information of the infrared spectroscopy (IR). In this research a homemade AFM-IR setup at the vienna university of technology (TU WIEN) was tested and characterized. The primary goal was to determine the spatial resolution of the setup. This was done by measuring reference samples which were made by microphase separation of polystyrene and polymethyl methacrylate blends and measure them with the AFM-IR setup and with an atomic force microscope using the phase imaging method. The results of these measurements were analysed by image processing and statistics and were compared together. For now the spatial resolution which the AFM-IR setup can achieve is 80 nm. Furthermore the AFM-IR setup was tested for using it in the semiconductor industry by measuring silicon samples. It was shown that the homemade AFM-IR setup can be used for measuring successfully nanoscale objects.