Optikai spektroszkópia az anyagtudományban 10. Közelitér módszerek

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Optikai spektroszkópia az anyagtudományban 10. Közelitér módszerek"

Árpád Barna
6 évvel ezelőtt
Látták:

1 Optikai spektroszkópia az anyagtudományban 10. Közelitér módszerek Kamarás Katalin MTA Wigner FK 1

Teljes visszaverődés (totálreflexió) Teljes

kisebb törésmutatójú közegben Evaneszcens tér nem

irányban) Az evaneszcens tér a kis törésmutatójú

2 Teljes visszaverődés (totálreflexió) Teljes visszaverődés kritikus szöge Nemzéró térerősség a kisebb törésmutatójú közegben Evaneszcens tér nem transzverzális hullám (vektor komponensek minden irányban) Az evaneszcens tér a kis törésmutatójú közeg felületéhez közeli rétegekben hat és a térerősség gyorsan csökken 2

3 Teljes visszaverődés Alkalmazás: optikai szálak 3

4 Gerjesztés evaneszcens térrel: Felületi IR spektroszkópia 1. Gyengített totálreflexiós (ATR) spektroszkópia - Evaneszcens tér keletkezése Exponenciálisan lecsengő tér Latin eredet: evanescere - eltűnik Francis M. Mirabella, Jr. (Ed.)-Internal reflection spectroscopy, Marcel Dekker, Inc. (1993) 4

5 ATR mérési módszerek Egyreflexiós Többreflexiós A felülethez közeli minta befolyásolja az evaneszcens teret, így a visszavert sugárzást is. Optikai spektroszkópia az anyagtudományban 10. 5

6 Többreflexiós folyadékcella Gyengített teljes reflexiós (ATR) spektroszkópia Az evaneszcens tér a kis törésmutatójú közeg felületéhez közeli rétegekben hat és a térerősség gyorsan csökken 6

7 Vékonyrétegek (atomi monorétegek) θ 12 =sin -1 n 21 θ 13 =sin -1 n 31 Észlelés feltétele: θ > θ 13 Nagyobb törésmutatójú minták is vizsgálhatók ha d > d p csak a mintáról jön jel, ha d < d p figyelembe kell venni a szubsztrátot is Francis M. Mirabella, Jr. (Ed.)-Internal reflection spectroscopy, Marcel Dekker, Inc. (1993) 7

8 Több reflexiós ATR kristály adszorbeált hidrogén monorétegek tanulmányozására Szekrényes Zsolt,

9 Komplex molekulák Si hordozón Szubsztrát: ATR kristály Y.-J. Liu, N.M. Navasero, H.-Z. Yu: Langmuir 20, 4039 (2004) C 60 silicon hybrid materials F. Cattaruzza, M. Prato et al. Optikai spektroszkópia az anyagtudományban 10. 9

10 ATR kristály tulajdonságok Meghatározott mérési tartomány: az ATR kristályok multi-fonon módusai bizonyos tartományokban teljesen elnyelik az IR sugárzást 10

11 RAIRS, IRRAS Reflexiós-abszorpciós IR spektroszkópia IR sugárzást visszaverő hordozó Dipól szórás fémes felületen Külső reflexió 11

12 Infravörös reflexiós-abszorpciós (IRRAS) spektroszkópia 12

13 Felületi orientáció megnatározása 13

14 Felületerősített Raman-spektroszkópia (SERS) Tarczay György Rezgési spektroszkópia, ELTE Fleischman és Van Duyne 1970-es évek: Ag-elektródok felületének vizsgálata ELEKTROMÁGNESES ERŐSÍTÉS KÉMIAI ERŐSÍTÉS Töltésátviteli komplexek Az intenzítás mellett a frekvencia is változik! 14

15 15

16 Optikai mikroszkóp Térbeli felbontás növelése Távoli tér: Diffrakciós limit ~ λ/2 laterális felbontás Infravörös: ~ 5 μm, Raman: ~ 200 nm axiális felbontás növelhető konfokális elrendezéssel Raman: szelektív rezonancia Közeli tér: SNOM (pásztázó közeli terű optikai mikroszkópia) TERS (tűerősített Raman-spektroszkópia) 16

17 Konfokális Raman-mikroszkóp Confocal pinhole Raman signal emitted from out of focus regions Echantillon multicouche The confocal pinhole acts as an adjustable spatial filter allowing a precise selection of the analysed volume Horiba Jobyn-Yvon 17

18 Advantages of confocal Raman Tremendous improvement of the axial resolution (~2 µm) Better lateral resolution (<1µm) Efficient reduction of fluorescence interference Expanding Raman Applications Minute samples quantities micron and sub-micron particles Thin films and multilayer samples Inclusions in matrices IMAGING : phases and components distribution (copolymers, composite materials etc 18

Konfokális Raman-mikroszkópia axiális felbontás Konfokális apertúra Fókuszon kívüli tartomány Raman-jele Szén nanocső kötegek konfokális Raman-képe A. Hartschuh, E.J. Sánchez, X.S. Xie, L.

19 Konfokális Raman-mikroszkópia axiális felbontás Konfokális apertúra Fókuszon kívüli tartomány Raman-jele Szén nanocső kötegek konfokális Raman-képe A. Hartschuh, E.J. Sánchez, X.S. Xie, L. Novotny: Phys. Rev. Lett. 90, (2003) Forrás: Horiba Jobin-Yvon Többrétegű minta A konfokális apertúra térbeli szűrőként működik, ezzel az észlelt térfogatot csökkenthetjük 19

20 Tűerősített Raman-spektroszkópia (TERS) Botka Bea, Rudi Hackl, Walther-Meissner Intézet, Garching 20

21 Erősítési mechanizmus λ light >>d particle felületi plazmon: kollektív elektrongerjesztés elektrosztatikus villámhárító effektus 21

22 Erősítés és kontraszt kontraszt: I közeli tér / I távoli tér erősítés: kontraszt súlyozva a megvilágított területtel a fókusz mérete meghatározza a kontrasztot Példa: szén nanocsövek 22

23 Tűerősített Raman-spektroszkópia szén nanocsöveken A. Hartschuh, E.J. Sánchez, X.S. Xie, L. Novotny: Phys. Rev. Lett. 90, (2003) 23

24 ATR-IR alapú tűerősítés ATR kristály rövid IR lézerimpulzus felmelegedés akusztikus hullám detektálás fémmel borított AFM tűvel A. Dazzi, R. Prazeres, F. Glotin, J.M. Ortega: Infr. Phys. Techno. 49, 113 (2006) 24

25 AFM contact mode 25

26 26

27 Felbontóképesség klasszikus- és SNOM (scanning near-field optical microscopy) mikroszkópiában Δ fém bevonatú optikai szál -T drasztikusan csökken Javítás: csökkentés -problémák -optika -nagyobb energia -> minta károsodás Pl Transzmisszió 10 Legjobb: Δ

28 Közeli terű infravörös képalkotás Neaspec_NeaSNOM_sSNOM_ANSOM_principle.flv 28

s-snom (scattering scanning near-field optical microscopy) AFM-tű pásztázás -optikai és mechanikai információ Lézernyaláb fókuszálás Tű -hegynél optikai közeltér -néhány nm folt Közelítés

29 s-snom (scattering scanning near-field optical microscopy) AFM-tű pásztázás -optikai és mechanikai információ Lézernyaláb fókuszálás Tű -hegynél optikai közeltér -néhány nm folt Közelítés minta/közeltér kölcsönhatás Szórt fény információ a lokális optikai tulajdonságokról Beeső fény p-polarizáció (tengely irányú)

30 s-snom modell Pont-dipól modell: az AFM tűt egy, a tű hegyébe beírt gömb helyettesíti. További közelítés: E i beeső elektromos tér által a gömbben indukált dipólusmomentumot egy pont-dipólusmomentum helyettesít a gömb közepében. 4 1 / 2 tükör dipólus a mintán belül (párhuzamos a tű pont-dipólusával) 1 / 1 a minta dielektromos függvénye 30

31 Tükördipólus tere járulékot ad a gömb helyén csatolt rendszer - Rendszer dipólmomentuma Effektív polarizálhatóság 2 1 A szórt elektromos térerősség arányos a polarizálhatósággal E s általában komplex amplitudó- és fázisváltozás a szórás következtében. Következtetés: a mérés során ε t és z ismert az optikai kontraszt képalkotásban a minta dielektromos állandója (ε s ) a meghatározó A. Cvitkovic, N. Ocelic, and R. Hillenbrand. Analytical model for quantitative prediction of materials contrasts in scattering-type near-field optical microscopy. Opt. Exp. 15, 8550 (2007). s-snom nanospektroszkópiai eszköz 31

32 Polarizációfüggés Topográfia (Au szigetek Si felületen) Optikai kontraszt kép (felül z irányú polarizáció, alul x irányú polarizáció) Optikai spektroszkópia az anyagtudományban

Németh Gergely Véges dipól (monopólus modell) Tű: nyújtott tökéletes vezető szféroid (forgási ellipszoid) Elektrosztatikus eset: 9 8 E s E m -jó közelítés ha két ponttöltés D<<L és

33 Németh Gergely Véges dipól (monopólus modell) Tű: nyújtott tökéletes vezető szféroid (forgási ellipszoid) Elektrosztatikus eset: 9 8 E s E m -jó közelítés ha két ponttöltés D<<L és 0.01<R/L<0.2 -ez általában igaz a SNOM tűkre -a Q töltés hatása elhanyagolható Tükörtöltés: Ez visszahat a tűre E s /E D/R 33 E dp

34 s-snom Scattering-Type Scanning Near-Field Optical Microscope AFM: tapping módus Mechanikai és optikai felbontás: AFM tű hegyének a rádiusza (a~20 nm) 34

35 Detektálás: interferometrikus mérési elrendezés Aszimmetrikus Michelson interferométer a minta az interferométer egyik ágában van Mért optikai jel: szórt fény (99%) + közeltér (1%) 35

36 Ω = 30 khz, Δz = 30 nm M = 400 Hz, Δl = 2.2 μm Infravörös detektálás E optikai közeltér jel EB háttérszórás ER fázis-modulált referencia nyaláb arctan 36

37 Frekvenciatartományok

38 Közeltér optikai jel mérése Nano-Optics and Near-Field Optical Microscopy, A. Zayats and D. Richards, Ed. Topográfia (20 nm magas Au strukturák) S1 (erős visszamaradó háttérszórás) S3 (tiszta közeli tér kép) 38

39 Nano-Optics and Near-Field Optical Microscopy, A. Zayats and D. Richards, Ed. 39

40 Elmélet és mérések összevetése Paraméterek:,,,, 1 cos Ω kifejezésbe behelyettesítve -> Fourier transzformáció ->, L,g nem mérhető közvetlenül -> meghatározásuk: modell illesztése a mérési eredményekre: Approach curve: a z függvényében Model Vertical scan 0.8 s Si /s Si (0) Si felületen A=65 nm R=15 nm Beta= Z pozíció [nm] 40

41 Anyagspecifikus optikai kontraszt Optikai spektroszkópia az anyagtudományban

42 Grafén szemcsehatárok - Grafén szemcsehatárok kimutatása - SPP szóródás a határfelületen - Topográfia nem látható - Optikai képek jól megfigyelhető kontraszt Nature Nanotechnology 8, (2013) Electronic and plasmonic phenomena at graphene grain boundaries 42

43 Alkalmazás: biológiai minták Polished section of Mytilus edulis shells 43

szubsztráton G. Németh, D. Datz, H.M. Tóháti, Á. Pekker, K. Kamarás: Phys. Stat.

44 Fémes és félvezető szén nanocsőkötegek megkülönböztetése AFM topográfia 1,2 azonos optikai fáziskontraszt 1 (félvezető) eltűnik 1 félvezető 2 fémes Si szubsztráton G. Németh, D. Datz, H.M. Tóháti, Á. Pekker, K. Kamarás: Phys. Stat. Sol. (b) 253, 2413 (2016) Térbeli felbontás ~ 20 nm megvilágító fény hullámhossza ~ 10 μm 44

45 Analitikus számolások SWCNT komplex dielektromos függvénye Kramers-Kronig analízisből [3] d=6 nm kötegek harmadik harmonikus fázisa Fázis a Si szubsztrátra normálva [3]: H. M. Tóháti, Á. Pekker, B. Á. Pataki, Z. Szekrényes, and K. Kamarás, Eur. Phys. J. B 87, (2014). 45

46 Szén nanocsövek (spektrum) 46

Egyedi szén nanocsövek Near-field phase The two metallic (blue arrow) candidates give the highest phase response These two CNTs are approximately 3nm (bigger) and 1.

47 Egyedi szén nanocsövek Near-field phase The two metallic (blue arrow) candidates give the highest phase response These two CNTs are approximately 3nm (bigger) and 1.7 nm (smaller) (diameter) The phase responses are similar to what we got on bundles The biggest semiconducting tube (2.5 nm) (red arrow) has lower phase signal than the smallest metallic one This tells us that all tubes which have lower phase contrast than the 1.7 nm metallic cnt are semiconducting cnts Optikai spektroszkópia az anyagtudományban

48 Egyedi szén nanocsövek - frekvenciafüggés Németh Gergely 48

49 Bórnitrid nanocsövek Datz Dániel Lokális hibahely X.G. Xu, B.G. Ghamsari, J. H. Jiang, L. Gilburd, G.O. Andreev, C.Zhi, Y. Bando, D. Golberg, P. Berini, G.C. Walker: Nat. Commun. 5, 4782 (2014) AFM topográfia 2 4 nm átmérőjű csövek vagy kis kötegek 49

50 Köszönet Datz Dániel Németh Gergely Pekker Áron Szekrényes Zsolt Tóháti Hajnalka Gál Tibor Sepsi Örs BME Koppa Pál Optikai spektroszkópia az anyagtudományban

Hasonló dokumentumok

Komplex szénszerkezetek spektroszkópiai jellemzése

Komplex szénszerkezetek spektroszkópiai jellemzése Kamarás Katalin MTA Wigner FK SZFI 2017. március 28. 1/40 Wigner Fizikai Kutatóközpont SZFI Szerkezetkutató Laboratórium FIR/MIR MIR/NIR Fotolumineszcencia