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ExCELSiOR Seminar Cycle – Nano-FTIR : Infrared spectroscopic chemical identification of materials at nanoscale

 – « The NeaSNOM Microscope »
– « Nano-FTIR: Infrared spectroscopic chemical identification of materials at nanoscale »
by Dr. Andreas HUBER from Neaspec GmbH

F. Huth1,2, A. Govyadinov2, S. Amarie1, W. Nuansing2, A.J. Huber1, F. Keilmann3, and R. Hillenbrand2,4.
1 Neaspec GmbH, Martinsried, Germany; 2 CIC Nanogune Consolider, Donostia-San Sebastian, Spain; 3 Dept. of Physics and CeNS, Ludwigs-Maximilians-Universität, Garching, Germany; 4 IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, Bilbao, Spain. andreas.huber@neaspec.com

Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy is an established technique for characterization and recognition of inorganic, organic and biological materials by their far-field absorption spectra in the infrared (IR) fingerprint region. However, due to the diffraction limit conventional FTIR spectroscopy is unsuitable for nanoscale resolved measurements.
We recently applied the principles of FTIR to scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy (s-SNOM) [1]. s-SNOM employs an externally-illuminated sharp metallic tip to create a nanoscale hot-spot at its apex which greatly enhances the near-field interaction between the probing tip and the sample. The light backscattered from the tip transmits the information about this near-field interaction to the far zone where the FTIR spectra can be recorded. The result is a novel nano-FTIR technique, which is able to perform near-field spectroscopy and imaging with nanoscale resolution.
Here we demonstrate Fourier-transform infrared nano-spectroscopy (nano-FTIR) based on a scattering-type scanning near-field optical microscope (s-SNOM) equipped with a coherent-continuum infrared light source. We show in that the method can straightforwardly determine the infrared absorption spectrum of organic samples with a spatial resolution of 20 nm. Corroborated by theory, the nano-FTIR absorption spectra correlate well with conventional FTIR absorption spectra, as experimentally demonstrated with PMMA samples (Fig. 1). Nano-FTIR can thus make use of standard infrared databases of molecular vibrations to identify organic materials in ultra-small quantity and at ultrahigh spatial resolution. As an application example we demonstrate the identification of a nanoscale PDMS contamination on a PMMA sample.

 

 

Fig. 1: In the topography image (left), a small sample contaminant (B) can be found next to a thin film of PMMA (A) on a Si substrate (dark region). In the mechanical phase image (middle) the contrast already indicates that the particle consists of a different material than the film and the substrate. Comparing the nano-FTIR absorption spectra at the positions A and B (right panel) with standard IR databases reveals the chemical identity of the film and the particle.

We envision that nano-FTIR will become a powerful tool for chemical identification of nanostructures, for investigating local structural properties (i.e. defects, strain) of crystalline and amorphous nanostructures, as well as for non-invasive measurement of the local free-carrier concentration and mobility in doped nanostructures.

[1] F. Huth, M. Schnell, J. Wittborn et al, Nat. Mater. 10, 352 (2011).
[2] S. Amarie, P. Zaslanky, Y. Kajihara et al, Beilstein J. Nanotechnol. 3, 312 (2012).
[3] F. Huth, A. Govyadinov, S. Amarie et al, Nano Lett 12, 3973 (2012).

www.excelsior-ncc.eu

Projet ExCELSiOR

ExCELSiOR : Experimental CEnter for Large Spectrum prOpeRties of nanostructures from DC to Mid-Infrared – www.excelsior-ncc.eu

ExCELSiOR (Centre expérimental pour l’étude des propriétés des nanodispositifs dans un large spectre du DC au moyen Infra-rouge.) a pour vocation de devenir un centre de mesures dans le domaine des nanosciences à dimension Européenne. Ce centre unique fonctionnera en espace et moyens partagés ouverts aux communautés académiques et industrielles.

Ce projet a pour objectif de faire émerger des recherches aux interfaces entre la microscopie à l’échelle nanométrique et les techniques de caractérisations couvrant les domaines des microondes au moyen infrarouge. Les champs de recherche concernent des aspects fondamentaux et de développements instrumentaux. Les domaines d’applications visés sont ceux de la nano-électronique/-photonique voire de la biologie à plus long terme et concernent les domaines des STIC, de la sécurité, de la santé et de l’environnement.

ExCELSiOR …   Vers de Nouveaux Instruments de Mesure

Connecter, Manipuler, Mesurer les composants nanométriques ; connaitre leurs propriétés électroniques, optiques… Acquisition de nouveaux grands équipements, instruments uniques à l’interface entre la microscopie et l’instrumentation haute fréquence et optique.

Jeudi 15 Novembre 2012 : Inauguration du Projet ExCELSiOR

Ma(journée d’inauguration du projet d’EQUIPEX ‘ExCELSiOR’ s’est déroulée le l5 Novembre dernier à l’IEMN – CNRS, campus de l’Université de Lille1.  A l’occasion de cet évènement nous avons  accueilli   une soixantaine de visiteurs. Ainsi, des  personnalités issues de grands groupes industriels et de PME (Agilent, Horiba, IBM, Omicron-Oxford Instruments, Rohde & Schwarz, ST-Microelectronics, , …), de laboratoires nationaux et européens de renom,  d’organismes nationaux (ANR, CEA, CNRS, DGA, KUL, …) ainsi que des acteurs de la recherche régionale (ISEN, LMCU,  PRES ULNF, Région Nord-Pas-de-Calais …) ont participé à cette journée. Cet évènement a été ponctué par plusieurs temps forts. Nous rappelons ici  les deux communications invitées qui ont lancé la journée. La première, donnée par Carlo Reita, Directeur de Recherche au CEA-Leti, Grenoble, concernait les futurs défis des technologies électroniques à l’horizon 2020 ; la seconde, présentée par Jean-Pierre Aimé, Directeur de Recherche CNRS-Université de Bordeaux, traitait des nouveaux paradigmes de la mesure de la matière biologique à l’échelle nanométrique. Enfin, cette journée a aussi été l’occasion d’une  visite des moyens expérimentaux des plateformes ‘champ proche’ et ‘hautes fréquences’ qui constitueront avec de nouveaux équipements inédits, le cœur du centre de caractérisation en nanosciences de dimension Européenne (ExCELSiOR Nanosciences Characterization Center).