Blog

Lớp phủ và màng mỏng được thiết kế và phát triển để thiết lập hoặc thay đổi nhiều đặc điểm bề mặt khác nhau và trong nhiều trường hợp, mối quan hệ giữa cấu trúc, hình thái và đặc tính vật liệu là không thể thiếu để tối ưu hóa thiết kế vật liệu. Hệ thống hình ảnh WITec đặc biệt phù hợp để đóng góp vào việc phân tích các hệ thống lớp phủ đa thành phần và màng mỏng bằng cách trực quan hóa sự phân bố của từng thành phần hóa học và đặc tính vật lý của các thành phần vật liệu khác nhau.

Để nghiên cứu lớp phủ và màng mỏng, độ phân giải độ sâu của hệ thống hình ảnh có tầm quan trọng to lớn trong việc phân biệt các lớp mỏng theo hướng z. Do độ phân giải độ sâu phụ thuộc rất nhiều vào độ hội tụ của kính hiển vi, hệ thống hình ảnh WITec được thiết kế đặc biệt để cung cấp hiệu suất hình ảnh hội tụ đặc biệt trong các lần quét độ sâu.

Các thiết bị cực kỳ linh hoạt của WITec có thể kết hợp nhiều kỹ thuật hình ảnh khác nhau để tăng đáng kể thông tin chi tiết do kết quả đo lường cung cấp. Các kết hợp khả thi có thể được đưa vào thiết lập kính hiển vi đơn bao gồm hình ảnh Raman cộng hưởng, Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), Kính hiển vi trường gần (SNOM) và Kính hiển vi điện tử quét (SEM). Hình ảnh Raman cộng hưởng cung cấp thông tin hóa học, AFM phát hiện địa hình, cấu trúc và các đặc tính vật lý như độ cứng, độ bám dính, v.v. của bề mặt mẫu và các phép đo độ phân giải cao SNOM có thể đạt tới giới hạn nhiễu xạ về mặt quang học. Tất cả các cấu hình thiết bị của WITec đều có thể được nâng cấp tại bất kỳ thời điểm nào để điều chỉnh hệ thống theo các yêu cầu mới hoặc mở rộng.

Nguyên lý Raman

Hiệu ứng Raman dựa trên hiện tượng tán xạ không đàn hồi của ánh sáng bởi các phân tử trong các chất khí, lỏng hoặc rắn. Sự tương tác của một phân tử với photon gây ra dao động của các liên kết hóa học, dẫn đến sự dịch chuyển năng lượng đặc trưng trong ánh sáng tán xạ. Do đó, mỗi hợp chất hóa học tạo ra một phổ Raman đặc trưng khi được kích thích và có thể dễ dàng được nhận diện thông qua “dấu vân tay” riêng biệt này.

Quang phổ Raman là một phương pháp được thiết lập tốt, không cần gắn nhãn và không phá hủy, dùng để phân tích thành phần phân tử của mẫu.

Hình ảnh Raman

Trong hình ảnh Raman, một kính hiển vi đồng tiêu được kết hợp với một máy quang phổ để ghi lại phổ Raman tại mỗi điểm ảnh của hình ảnh. Kết quả là một hình ảnh Raman thể hiện sự phân bố của các hợp chất trong mẫu. Nhờ vào độ đồng tiêu cao của các hệ thống Raman WITec, các phép quét thể tích và hình ảnh 3D cũng có thể được tạo ra.

Hiệu ứng Raman là cực kỳ yếu, do đó mỗi photon Raman đều rất quan trọng đối với việc tạo hình ảnh. Vì vậy, các hệ thống hình ảnh Raman của WITec kết hợp một kính hiển vi đồng tiêu cực kỳ nhạy với một máy quang phổ thông lượng cực cao (UHTS).

Việc điều chỉnh chính xác tất cả các thành phần quang học và cơ học đảm bảo độ phân giải cao nhất, tốc độ vượt trội và độ nhạy đặc biệt – tất cả cùng lúc!

Sự tối ưu hóa này cho phép phát hiện tín hiệu Raman của ngay cả những chất tán xạ Raman yếu hoặc ở nồng độ vật liệu cực thấp hay thể tích nhỏ, với mức năng lượng kích thích thấp nhất. Đây là một lợi thế vô song của các hệ thống WITec.

Độ phân giải

Độ phân giải ngang bị giới hạn vật lý ở mức ~200 nm, tùy thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới.

Tốc độ

Hệ thống càng nhạy, thời gian thu thập cho một phổ Raman đơn càng ngắn. Công nghệ Hình ảnh Raman Siêu nhanh của WITec giảm thời gian thu thập cho các phổ Raman đơn xuống dưới 1 mili giây.

Độ nhạy

Độ đồng tiêu cao làm tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu bằng cách giảm nhiễu nền. Với Dòng UHTS, WITec đã phát triển các máy quang phổ tối ưu hóa theo bước sóng, dựa trên thấu kính, đạt độ phân giải quang phổ xuống tới 0.1 cm⁻¹ (số sóng tương đối).

Phân tích hỗn hợp Polymer ba thành phần bằng Hình ảnh Tương quan Raman-AFM-SNOM

Hỗn hợp polymer ba thành phần gồm polystyrene (PS), cao su styrene-butadiene (SBR) và 2-ethylhexyl acrylate (EHA) với tỷ lệ 1:1:1 đã được nghiên cứu bằng cách kết hợp Kính hiển vi Lực Nguyên tử (AFM), Kính hiển vi Quang học Trường gần (SNOM) và Hình ảnh Raman Đồng tiêu.

Trong khi AFM hoạt động ở chế độ AC ghi lại thông tin địa hình và đặc tính cơ học cục bộ, SNOM phát hiện tính chất quang học với độ phân giải vượt xa giới hạn nhiễu xạ, và hình ảnh Raman tiết lộ thành phần phân tử của mẫu. Hình ảnh tương quan AFM-SNOM-Raman đồng tiêu cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất hóa học và vật lý của hỗn hợp polymer ở quy mô sub-micromet.

Sự tách pha của một màng mỏng hỗn hợp PS, SBR và EHA (tỷ lệ 1:1:1) đã được phân tích bằng kính hiển vi WITec alpha300 RAS, tích hợp cả ba phương pháp phân tích trong một thiết bị. Mẫu, được phủ lên kính bằng phương pháp spin-coating, được giữ nguyên vị trí trong suốt các phép đo, cho phép các hình ảnh được tương quan. Việc đánh giá dữ liệu thu thập được và tạo hồ sơ độ sâu được thực hiện bằng Phần mềm WITec Suite.

Địa hình của mẫu được đo bằng AFM cho thấy một cấu trúc ba cấp độ (Hình 1A). Hình ảnh pha được ghi đồng thời (Hình 1B) hiển thị một kết cấu lưới mịn ở cấp độ địa hình thấp nhất, vật liệu chứa các hạt cầu nhỏ ở lớp trung gian, và một mô hình vô định hình ở chất nằm trên cùng. Hình ảnh SNOM thu thập từ cùng phần mẫu cho thấy các vùng mỏng nhất của mẫu là mờ đục (Hình 1C). Những vùng này chỉ chứa EHA, như được thấy trong hình ảnh Raman (Hình 1E) được tạo từ phổ Raman (Hình 1D). Các đặc điểm cao nhất của mẫu dường như là PS, vốn được biết là tạo thành các hạt cầu. Sự tương quan hoàn hảo giữa địa hình, tách pha, SNOM và thành phần phân tử được minh họa bằng cách chồng ghép hình ảnh pha AFM và hình ảnh Raman (Hình 1F).

Tất cả dữ liệu tương quan về cấu trúc, tính chất vật lý và hóa học dẫn đến kết luận rằng EHA tạo thành lớp thấp nhất trên lam kính hiển vi. Lớp này được phủ bởi một lớp SBR, như được chỉ ra bởi phổ Raman trộn (EHA-SBR). Các hạt cầu PS bị chìm một phần và nhô ra khỏi màng polymer hai lớp này.

Sự kết hợp của AFM, SNOM và hình ảnh Raman đồng tiêu trong một thiết bị duy nhất cho phép phân tích vật lý và hóa học không phá hủy, dễ sử dụng đối với các vật liệu không đồng nhất với độ phân giải rất cao.

Phân tích Hỗn hợp Polymer bằng Kính hiển vi Tương quan:

Hình ảnh Raman Đồng tiêu và Kính hiển vi Lực Nguyên tử

Polymer đóng vai trò thiết yếu trong khoa học vật liệu hiện đại. Nhờ vào tính chất cơ học và hóa học đa dạng, chúng được sử dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực ứng dụng và vẫn quan trọng đối với việc phát triển các vật liệu mới với yêu cầu khắt khe. Do đó, việc hiểu biết về hình thái và thành phần hóa học của các vật liệu polymer không đồng nhất ở quy mô sub-micromet là rất quan trọng.

Tuy nhiên, một số tính chất khó được nghiên cứu bằng các kỹ thuật phân tích thông thường, vì chúng thường không thể phân biệt hóa học các vật liệu với độ phân giải không gian đủ cao và không làm hỏng, nhuộm màu hoặc xử lý mẫu theo cách khác.

Kính hiển vi tương quan kết hợp giữa Kính hiển vi Lực Nguyên tử (AFM) và hình ảnh Raman đồng tiêu mở ra những hướng tiếp cận mới cho việc phân tích các vật liệu polymer tiên tiến khi cần hiểu chi tiết về tính chất vật lý và hóa học. Trong khi AFM ghi lại thông tin địa hình và đặc tính cơ học cục bộ dọc theo và vuông góc với bề mặt mẫu với độ phân giải không gian cao, hình ảnh Raman tiết lộ thành phần phân tử của mẫu.

Các mẫu được giữ nguyên vị trí trong suốt các phép đo, cho phép các hình ảnh thu được tương quan với nhau. Phần mềm WITec Suite hỗ trợ đánh giá toàn diện dữ liệu thu thập được và tạo ra hồ sơ độ sâu.

Các màng mỏng của hỗn hợp hai polymer đã được nghiên cứu. Polymethylacrylate (PMMA) và cao su styrene-butadiene (SBR) được trộn và phủ lên lam kính bằng phương pháp spin-coating. Kính hiển vi WITec alpha300 RA được sử dụng để tạo hình ảnh.

Hỗn hợp được phân tích bằng Kính hiển vi Lực Nguyên tử (AFM) ở chế độ AC (Hình 2). Hình ảnh địa hình cho thấy các cấu trúc hình cầu nhô ra từ vật liệu xung quanh. Bản chất hóa học của chúng được xác định thông qua phổ Raman (Hình 3).