تنفيذ مطيافية الأشعة تحت الحمراء المعتمدة على مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري بنمط النقر مع كشف الهتيروداين للمواد والأجهزة أشباه الموصلات

Corey M. Efaw; Suemy Batista; Nolan H. Olaso; Benjamin R. Bailey; David Estrada; Elton Graugnard; Paul H. Davis

doi:10.3791/71517

مقالة منهجية

تنفيذ مطيافية الأشعة تحت الحمراء المعتمدة على مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري بنمط النقر مع كشف الهتيروداين للمواد والأجهزة أشباه الموصلات

DOI:

10.3791/71517

⸱

أغسطس 21, 2026

Corey M. Efaw¹ , Suemy Batista¹ , Nolan H. Olaso¹ , Benjamin R. Bailey¹ , David Estrada¹ , Elton Graugnard¹ , Paul H. Davis¹

¹Micron School of Materials Science & Engineering, Boise State University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يصف هذا البروتوكول مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري بنمط النقر والكشف المتغاير (heterodyne-detected tapping-mode photothermal atomic force microscopy–infrared spectroscopy) للتوصيف الكيميائي النانوي للمواد والأجهزة أشباه الموصلات، بما في ذلك الحصول على الأطياف بالأشعة تحت الحمراء ورسم الخرائط الكيميائية للأسطح ذات الأنماط والملوثات المرتبطة بالعمليات التصنيعية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يُستخدم مجهر القوة الذرية (AFM) على نطاق واسع لتوصيف الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والميكانيكية والحرارية والكهروكيميائية والكهروميكانيكية للمواد والأجهزة على مقياس النانومتر؛ ومع ذلك، فإنه لا يوفر تعريفاً كيميائياً مباشراً. وفي المقابل، يقوم مطياف الأشعة تحت الحمراء (IR) باستقصاء الروابط الكيميائية من خلال بصماتها الاهتزازية، ولكنه يقتصر تقليدياً على دقة مكانية بمقياس الميكرون بسبب الحيود البصري. يجمع مطياف الأشعة تحت الحمراء القائم على مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري (AFM–IR) بين تقنيتي AFM وIR لتمكين التوصيف الكيميائي على مقياس النانومتر من خلال قياس التمدد الضوئي الحراري الموضعي الذي يلي امتصاص الأشعة تحت الحمراء. تقدم هذه المقالة بروتوكولاً لتقنية AFM–IR الضوئية الحرارية بنمط النقر المكتشفة بالتردد المتغاير وتطبيقها على المواد والأجهزة أشباه الموصلات. يصف البروتوكول تحضير الجهاز، واختيار المسبار وضبطه، وتصوير تضاريس AFM، ومحاذاة ليزر IR وتحسينه، والحصول على أطياف IR الموضعية، والرسم الخرائطي الكيميائي لأنماط اهتزازية مختارة. تم التركيز بشكل خاص على التنفيذ العملي لتقنية AFM–IR بنمط النقر لتوصيف أشباه الموصلات و العوامل التي تؤثر على جودة البيانات، بما في ذلك اختيار المسبار، وضبط الرنين، ومحاذاة شعاع IR. وتوضح الأمثلة التمثيلية استخدام AFM–IR لتمييز تركيب المواد في الهياكل المنقوشة، وتقييم المواد المترسبة على ركائز أشباه الموصلات، وتحديد تلوث مقوم الضوء المتبقي بعد المعالجة. يتيح البروتوكول الحصول على معلومات تضاريسية وكيميائية مشتركة الموقع بدقة مكانية نانومترية، ويوضح كيف يمكن تطبيق AFM–IR على تحديات التوصيف التي تواجه أبحاث وتصنيع أشباه الموصلات. ولمساعدة المستخدمين الجدد، تم تقديم نظرة عامة موجزة عن تطوير AFM–IR ومقارنة لمصادر IR وأنماط التصوير الشائعة الاستخدام.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تلعب طرق التوصيف المتقدمة دوراً حيوياً في أبحاث أشباه الموصلات وتطويرها وتصنيعها. ويُستخدم مجهر القوة الذرية (AFM)، الذي يمكن تشغيله في الظروف المحيطة، أو في بيئة غرفة نظيفة، أو داخل صندوق قفازات في جو خامل، أو تحت الفراغ، على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات. وتجمع أنماط AFM المتاحة بين رسم الخرائط الطوبوغرافية لمواد وأجهزة أشباه الموصلات على المقياس النانوي مع قياسات مشتركة الموضع للخصائص الكهربائية، والمغناطيسية، والميكانيكية، والكهروضغطية (أي الكهروميكانيكية)، والحرارية، بما في ذلك الجهد السطحي، والمقاومة الكهربائية، وتحديد توزيع الشوائب، وقياسات التيار-الجهد (I–V) في مواقع محددة¹^,²^,³^,⁴^,⁵. ومع ذلك، وبالرغم من قدرته على توفير وفرة من المعلومات حول الخصائص، فإن AFM لا يوفر بشكل مباشر معلومات عن التركيب الكيميائي. وفي المقابل، يقوم مطياف امتصاص الأشعة تحت الحمراء (IR) بفحص الروابط الكيميائية أو أنماط الفونونات الموجودة في العينة، ولكنه يقتصر تقليدياً على دقة مكانية بمقياس الميكرون بسبب حد حيود آبي وطول موجة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (~2.5–25 µm أو 400–4,000 cm⁻¹)⁶^,⁷^,⁸. وقد جاء تطوير تقنية AFM–IR الضوئية الحرارية⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³، التي تدمج AFM مع مجهر ومطياف الأشعة تحت الحمراء في المجال القريب للتحديد الكيميائي على المقياس النانوي، لمعالجة هذا القصور⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. ويحقق AFM–IR ذلك عن طريق تركيز مصدر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) على طرف مسبار AFM نانوي (~20 nm) يكون عادةً مطلياً بالمعدن، مما يسمح بالاستحواذ المشترك الموضع لبيانات طوبوغرافيا AFM وبيانات مطيافية IR (الشكل 1)⁶^,⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹.

figure-introduction-1
الشكل 1. رسم تخطيطي لمجهر القوة الذرية الضوئي الحراري-المطيافية بالأشعة تحت الحمراء (AFM–IR). يقوم شعاع مركّز ونبضي من الأشعة تحت الحمراء (IR) بإثارة تمدد ضوئي حراري موضعي لسطح العينة. ويتم الكشف عن اهتزاز الكابول (cantilever) الناتج باستخدام ليزر انحراف AFM والصمام الثنائي الضوئي الحساس للموقع، مما يتيح الحصول على تضاريس العينة والمعلومات الكيميائية في نفس الموقع على مقياس النانو. مقتبس بإذن من الشكل 1أ في Dazzi وPrater⁷. حقوق الطبع والنشر 2017 للجمعية الكيميائية الأمريكية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

اعتمدت التطبيقات الأولية لتقنية AFM–IR على مصدر أشعة تحت حمراء (IR) عريض النطاق، وأحياناً بالاقتران مع مسبار متخصص حساس حرارياً بدلاً من ذراع AFM القياسية²²^,²³. ولاحقاً، اعتمد الباحثون مصادر أشعة تحت حمراء نبضية²⁴، والتي توفر قدرات ذروية أعلى، وفي حالة معدلات التكرار القابلة للضبط، تتيح تعزيز الرنين (RE) لاستجابة الذراع تجاه الاستثارة الفوتوحرارية للعينة¹¹^,¹⁵^,²⁵^,²⁶، مما أدى إلى وصول حساسيات الكشف إلى مستوى الطبقة الواحدة²¹. وقد استخدم أول نظام AFM–IR أثبت دقة تصوير بالأشعة تحت الحمراء على مقياس النانومتر ليزر الإلكترون الحر وإضاءة الموجة المتلاشية من الأسفل إلى الأعلى عبر ركيزة نافذة للأشعة تحت الحمراء⁹. وبعد ذلك بفترة وجيزة، تم تقديم الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل²⁷ باستخدام مذبذب بارامتري بصري (OPO) قابل لضبط الطول الموجي²⁴^,²⁸ أو مصدر ليزر مكتبي، مثل ليزر الشلال الكمومي (QCL)¹¹^,²¹¹⁰. يشكل هذا التكوين الأساس لمعظم أنظمة AFM–IR التجارية الحالية لأن الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل تبسط تحضير العينة من خلال إلغاء الحاجة إلى ركيزة نافذة للأشعة تحت الحمراء وتتيح تحليل العينات الأكثر سمكاً⁷^,⁸^,¹⁵^,¹⁶. ومكنت التطورات اللاحقة من الحصول على أطياف الأشعة تحت الحمراء في مواقع مختارة على سطح العينة والرسم الخرائطي الكيميائي لأنماط اهتزازية محددة⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁵^,²⁴^,²⁹^,³⁰^,³¹^,³². ونتيجة لذلك، تم تطبيق AFM–IR في مجموعة واسعة من المجالات، بما في ذلك علم الأحياء وإيصال الأدوية⁶^,²⁵^,³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶^,³⁷، وتوصيف البوليمرات⁶^,¹²^,²⁶^,³⁸^,³⁹، وتحديد الجسيمات النانوية²⁶^,⁴⁰^,⁴¹^,⁴²^,⁴³، وأبحاث أشباه الموصلات⁷^,⁴⁴^,⁴⁵^,⁴⁶^,⁴⁷^,⁴⁸^,⁴⁹، مع استمرار الجهود الرامية إلى توسيع نطاق الأطوال الموجية التي يمكن الوصول إليها، وبالتالي زيادة تنوع الأنماط الاهتزازية وأنظمة المواد التي يمكن دراستها⁸^,²⁸^,⁵⁰.

تقوم التقنيات ذات الصلة، مثل المجهر الضوئي للمجال القريب بالمسح من نوع التشتت بالأشعة تحت الحمراء (IR s-SNOM)¹⁴^,⁵¹^,⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵^,⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹^,⁶⁰^,⁶¹ وتشتت رامان المعزز بالطرف (TERS)⁶²^,⁶³^,⁶⁴^,⁶⁵^,⁶⁶، بالكشف عن الضوء المشتت مرنًا أو غير مرن، على التوالي. وفي المقابل، يستخدم AFM–IR عتلة مسبار AFM لتحويل وتضخيم التمدد الضوئي الحراري لسطح العينة عقب الاستثارة بالأشعة تحت الحمراء (IR)، وذلك من خلال عامل الجودة (Q factor) لرنين العتلة⁶^,⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,³¹^,⁶⁷. ويتم الكشف عن تذبذب المسبار الناتج عن طريق قياس حركة ليزر انحراف AFM، والذي ينعكس من الجزء الخلفي للعتلة، على الكاشف الحساس للموقع (الشكل 1). وبما أن مسار الكشف هذا يُستخدم أيضًا لقياس التغيرات في تضاريس العينة، فإن AFM–IR يتطلب طريقة لفصل استجابات التضاريس وامتصاص الأشعة تحت الحمراء. وقد تم تحقيق هذا الفصل في البداية باستخدام AFM في وضع التلامس. فبعد استثارة العينة بنبضة أشعة تحت حمراء، تضمحل استجابة المسبار للتمدد الضوئي الحراري للعينة بسرعة على مقياس زمن يتراوح من النانو ثانية إلى الميكرو ثانية، وهو أسرع بكثير من زمن مكوث المسبار الفعال على مقياس الميلي ثانية المرتبط باكتساب بيانات AFM بمعدلات تبلغ بضعة كيلو هرتز⁶^,⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁵⁰^,⁶⁷. ويمكن ترشيح الإشارة الضوئية المتغيرة زمنياً الناتجة، أو ما يسمى بالتخميد (ringdown)، عند كل نقطة بيانات (أي بكسل في صورة AFM) عبر مرشح نطاق ترددي مركزه تردد رنين التلامس للعتلة، ثم إجراء تحويل فورير لها. وتكون السعة الناتجة متناسبة مع الاستجابة الضوئية الحرارية الموضعية للعينة (الشكل 2A، 2B)⁶^,⁷^,⁸^,¹⁵^,³¹^,⁶⁷^,⁶⁸. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الاختلافات في صلابة العينة إلى إزاحة تردد رنين تلامس المسبار، مما قد يؤدي إلى تداخل إشارة التمدد الضوئي الحراري مع التغيرات في السلوك الميكانيكي لسطح العينة. ولتحسين حساسية AFM–IR في وضع التلامس، تم تطوير AFM–IR المعزز بالرنين (RE). في هذا الوضع، يتم ضبط معدل تكرار نبضات الليزر ليتوافق مع تردد رنين التلامس للمسبار، مما يؤدي إلى تضخيم متزامن للرنين الميكانيكي للعتلة وتحويل تخميد الإشارة إلى تذبذب بموجة مستمرة (الشكل 2C، 2D)⁷^,⁸^,¹¹^,¹⁵^,²¹. ويؤدي هذا النهج إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضجيج (S:N) بشكل كبير بما يتناسب مع عامل الجودة (Q factor) لرنين العتلة⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²¹. وتسمح إضافة حلقة مقفلة الطور (PLL) بمراقبة رنين العتلة باستمرار ومطابقة معدل تكرار نبضات الليزر مع تردد الرنين المتغير أثناء رسم خريطة استجابة العينة عند عدد موجي محدد للأشعة تحت الحمراء. ويساعد ذلك في ضمان بقاء إشارة RE AFM–IR المقاسة متناسبة مع معامل امتصاص الأشعة تحت الحمراء للنمط الاهتزازي، بغض النظر عن التغيرات في الخصائص الميكانيكية، وبالتالي تردد رنين التلامس، عبر سطح العينة⁸^,¹⁵^,¹⁶^,³⁷^,⁶⁹.

figure-introduction-2
الشكل 2. استجابات نموذجية في النطاق الزمني ونطاق التردد تم الحصول عليها باستخدام أنماط تشغيل مختلفة لتقنية AFM–IR. (A) استجابة خمود عتلة في النطاق الزمني تالية للإثارة الضوئية الحرارية لعينة أثناء وضع التلامس في AFM–IR. (B) تحويل فورير السريع (FFT) لإشارة الخمود في (a)، والتي تظهر أنماط رنين تلامس متعددة. (C) استجابة في النطاق الزمني تم الحصول عليها أثناء وضع التلامس المعزز بالرنين في AFM–IR باستخدام عتلة لينة (k = 0.3 N/m). (D) تحويل فورير السريع (FFT) للإشارة المعززة بالرنين تظهر تضخيماً عند رنين التلامس المختار (365 kHz)، وهو ما يتوافق مع معدل تكرار نبضات الليزر. القمم عند 730 و1095 و1460 kHz تقريباً تقابل التوافقيات من رتب أعلى. (E) إشارة AFM–IR في وضع النقر في النطاق الزمني تم الحصول عليها باستخدام عتلة صلبة (k = 40 N/m). (F) تحويل فورير السريع (FFT) لاستجابة AFM–IR في وضع النقر. تم إجراء الحصول على التضاريس باستخدام رنين التشغيل عند 250 kHz تقريباً، بينما تم الكشف عن الاستجابة الضوئية الحرارية عند 1.55 MHz تقريباً باستخدام معدل تكرار نبضات غير متجانس يتوافق مع تردد الفرق (f₂ − f₁) البالغ 1.3 MHz تقريباً. اللوحتان (A, B) مقتبسة بإذن من الشكل 3 في Mathurin et al.¹⁶ حقوق الطبع والنشر 2022 AIP Publishing. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

كان التطور الرئيسي التالي في تقنية AFM–IR هو تطبيق الكشف غير المتجانس (heterodyne detection)⁷⁰، وهو ما أتاح الجمع بين مجهر القوة الذرية في وضع النقر (tapping-mode AFM) وتقنية AFM–IR لتصوير العينات الرخوة أو اللزجة أو ضعيفة الالتصاق⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁵^,²⁶^,³⁷^,⁷¹. في وضع النقر، والذي يُشار إليه أيضاً بوضع التلامس المتقطع، يتذبذب المسبار عند تردد رنين الكابول (cantilever) أو بالقرب منه لإحداث تلامس متقطع مع سطح العينة، مما يقلل القوى الجانبية ويقلل من احتمالية تلف العينة و/أو المسبار. وبالمقارنة مع التشغيل في وضع التلامس، فإن وضع النقر مفيد بشكل خاص للعينات الرخوة ميكانيكياً، أو ضعيفة الالتصاق، أو القابلة لتعديل السطح أثناء التصوير⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁵^,²⁶^,³⁷^,⁷¹. في تقنية AFM–IR بوضع النقر، يتم ضبط معدل تكرار نبضات الليزر ليكون مساوياً للفرق بين ترددي رنين للكابول، بحيث يكون f_laser = Δf = f₂ − f₁. يُستخدم أحد ترددي الرنين للحصول على تضاريس العينة (f_tap)، بينما يراقب تردد الرنين الثاني الاستجابة الضوئية الحرارية (f_demod) الناتجة عن امتصاص الأشعة تحت الحمراء IR (الشكل 2E، 2F)⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷¹^,⁷². وبشكل مشابه لتقنية AFM–IR في وضع التلامس المعزز بالرنين، يمكن استخدام حلقة مقفلة الطور (PLL) للحفاظ على المزامنة بين معدل تكرار نبضات الليزر و Δf أثناء المسح، مما يعوض الإزاحات الصغيرة في ترددات رنين الكابول الناتجة عن التباينات في جهد التفاعل بين المسبار والعينة عبر السطح⁸^,¹⁶. وتعتمد استجابة الكابول (سعة التذبذب، Z) في تقنية AFM–IR بوضع النقر المكتشف غير المتجانس على f_tap و f_demod و Δf وعامل Q لرنين فك التعديل المختار⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹:

figure-introduction-3

وبذلك، عندما تكون العوامل الأخرى قابلة للمقارنة (على سبيل المثال، عوامل Q مماثلة لكل من f₁ وf₂)، يمكن تحقيق تحسين في نسبة الإشارة إلى الضجيج S:N عن طريق استخدام مسبار أكثر صلابة، والتشغيل في وضع النقر (tapping mode) عند تردد الرنين الأعلى (أي f_tap = f₂)، وفك تعديل الاستجابة الضوئية الحرارية عند تردد الرنين الأدنى (أي f_demod = f₁). وإلى جانب تمكين تحليل العينات الرخوة أو اللزجة أو ذات الالتصاق الضعيف، يوفر تقنية AFM–IR في وضع النقر حساسية أقل تجاه التباينات في الخصائص الميكانيكية للعينة، وتحسيناً في الدقة الجانبية بمقدار ضعفين تقريباً (~10 nm مقابل ~20 nm)، وتحسيناً في حساسية السطح بمقدار 10-20 ضعفاً تقريباً مقارنة بتطبيقات وضع التلامس⁸^,¹⁵^,¹⁶^,²⁶^,⁷¹.

بالتعاون مع شركاء أكاديميين وصناعيين، استُخدم تقنية AFM–IR بنمط النقر لتقييم عمليات الترسيب وإزالة المواد على الرقائق المنقوشة⁴⁴^,⁴⁵، وتحديد مواقع النوى غير المرغوب فيها⁴⁴، والكشف عن بقايا المقاوم الضوئي⁴⁵، وتحسين ظروف المعالجة لمنصات الاتصال في أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة⁴⁵. يصف البروتوكول المقدم هنا تقنية AFM–IR بنمط النقر المكتشف بتردد غير متجانس، ويوضح تطبيقها للحصول على أطياف IR نانوية في مواقع مختارة، وكذلك لرسم خريطة للتوزيع المكاني للأنواع الكيميائية من خلال التصوير بالوضع الاهتزازي عند أرقام موجية ثابتة لـ IR. ورغم أن AFM–IR يمكن أن يوفر أيضاً معلومات متعلقة بالتوجيه الجزيئي من خلال قياسات تعتمد على الاستقطاب⁸^,¹⁶^,⁷³^,⁷⁴^,⁷⁵^,⁷⁶، إلا أن هذه التطبيقات تقع خارج نطاق البروتوكول الحالي والأمثلة التمثيلية المقدمة.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لا يتضمن هذا البروتوكول استخدام خطوط خلوية حيوانية أو بشرية أو عينات من أشخاص. لاحظ أنه على الرغم من مناقشة أنماط تنفيذ أخرى لتقنية AFM–IR، فإن هذا البروتوكول مخصص لتقنية AFM–IR الضوئية الحرارية بنمط النقر المكتشف بالتردد المتغاير (heterodyne-detected tapping-mode).

1. إعداد التجربة

ملاحظة: يهدف بروتوكول AFM–IR بنمط النقر هذا إلى أن يكون عاماً قدر الإمكان؛ ومع ذلك، فإن الإعداد والتشغيل سيعتمدان على الشركة المصنعة وطراز النظام المستخدم، بما في ذلك الأجهزة المرتبطة (مثل مصدر أو مصادر IR، ومنصة AFM، والأجهزة ذات الصلة) والبرمجيات. يرجى الرجوع إلى الشكل 3 للاطلاع على مخطط كتلي تخطيطي عام لنظام AFM–IR نموذجي. النظام المستخدم في هذه الدراسة مدرج في جدول المواد.

figure-protocol-1
الشكل 3. مخطط كتلي تخطيطي عام لنظام AFM–IR نموذجي. يوضح المخطط مصدر ليزر الأشعة تحت الحمراء، وليزر المحاذاة المرئي، وبصريات المحاذاة، والغالق، وبصريات التركيز، ومجموعة مسبار AFM، وكاشف الثنائي الضوئي، ومضخم القفل (lock-in amplifier)، ووحدة تحكم AFM، ومنصة العينة، وغلاف التطهير البيئي المستخدم أثناء قياسات AFM–IR. الاختصارات: AFM = مجهر القوة الذرية؛ MIR = الأشعة تحت الحمراء المتوسطة؛ OAP = عاكس مكافئ خارج المحور. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

ابدأ تدفق غاز التطهير عبر مسار شعاع الأشعة تحت الحمراء (IR) وغلاف الجهاز بمعدل 4 L/min تقريبًا. استخدم N₂ فائق النقاء (99.999%) كغاز تطهير عند توفره، أو الهواء الجاف المضغوط في حال عدم توفر N₂⁸.
ملاحظة: يعمل التطهير على إزاحة H₂O وCO₂ الجويين اللذين يمتصان في المنطقة الطيفية للأشعة تحت الحمراء. ويقلل الحفاظ على معدل تدفق منخفض لغاز التطهير أثناء إعداد الجهاز من وقت التطهير المطلوب مباشرة قبل الحصول على البيانات (انظر الخطوة 1.25).
راجع دليل مستخدم الليزر للتأكد من تركيب سائل تبريد مبرد الليزر المطلوب.
ملاحظة: يعمل مصدر المذبذب البارامتري البصري (OPO) واسع النطاق المستخدم في هذه الدراسة (APE Carmina) عند 22°C باستخدام خليط بنسبة 3:1 من الماء المقطر ومركز Innovatek Protect IP. ويعمل ليزر الشلال الكمي (QCL) من طراز MIRcat عند 21°C باستخدام 10% كحول إيزوبروبيل في ماء مقطر. ويبلغ سعة كلا المبردين حوالي 450 mL، وبأقصى معدل تدفق قدره 4 L/min، واستقرار درجة حرارة اسمي يبلغ ±0.1°C. وخلال قياسات AFM–IR، يعمل كلا المبردين بقوة دفع مضخة تبلغ 20% ويحققان عادةً استقرارًا في درجة الحرارة من ±0.01°C إلى ±0.03°C على مدى زمن يتراوح من 15 min إلى 1 h.
تحقق من دوران سائل التبريد المناسب قبل تشغيل مصدر الأشعة تحت الحمراء (IR).
ملاحظة: غالبًا ما تتطلب الليزرات وجود مبردات لإزالة الحرارة الزائدة والحفاظ على درجة حرارة تشغيل مستقرة لضمان استقرار قدرة الخرج والطول الموجي وجودة النمط وتوجيه الشعاع. وتساعد سوائل تبريد المبردات في الحفاظ على العمر الافتراضي للمكونات من خلال منع التآكل و/أو نمو الطحالب.
قم بتشغيل مزود الطاقة لليزر، ووحدة تحكم AFM، ومصدر (مصادر) الأشعة تحت الحمراء (IR)، والأجهزة المرتبطة بها (مثل مبردات الليزر ومضخمات القفل-في/lock-in amplifiers).
اترك جميع المعدات لتسخن وفقًا لتوصيات الشركة المصنعة (عادةً من 15 إلى 60 min).
قم بتشغيل برنامج التحكم في AFM من إصدار Analysis Studio v3.17.
افتح قائمة تكوين الأجهزة (Hardware Configuration) من القائمة المنسدلة للإعداد (Setup).
اختر تكوين الجهاز المناسب لنظام AFM–IR من القائمة المنسدلة للتكوين النشط (Active Config) لتحميل ملف تكوين النظام الصحيح.
انقر فوق أيقونة التهيئة (Initialize) وتأكد من الاتصال بين مصدر (مصادر) الأشعة تحت الحمراء (IR)، ووحدة تحكم AFM، ومضخم (مضخمات) القفل-في (lock-in amplifier) من خلال التحقق من عدم ظهور أي رسائل خطأ عند بدء التشغيل.
ملاحظة: قد يتطلب التكوين غير الصحيح مساعدة من مورد الجهاز.
اختر التكوين التجريبي المناسب للقياس المخطط له (على سبيل المثال، وضع Tapping AFM–IR Mode) من القائمة المنسدلة في نافذة مسح AFM.
اختر أيقونة "جديد" (New) في شريط أدوات Analysis Studio لإنشاء مشروع جديد حيث سيتم حفظ جميع البيانات. استخدم خيار "حفظ باسم" (Save As) في قائمة الملف (File) لتحديد اسم ملف المشروع المطلوب.
اختر مسبار AFM–IR متوافقًا مع العينة وهندسة الإضاءة ووضع التصوير. استخدم مسبار AFM–IR بوضع النقر عالي الصلابة TnIR-D-10 مطليًا بالذهب لمعظم قياسات AFM–IR بوضع النقر المكتشفة بالهتيرودين على نظام Bruker nanoIR3 AFM–IR.
ملاحظة: يتميز مسبار AFM–IR بوضع النقر عالي الصلابة بنصف قطر طرف اسمي يبلغ 20 nm، وثابت نابض قدره 42 N/m، وتردد رنين يبلغ 320 kHz. ويمكن استخدام مسبار AFM–IR بوضع النقر منخفض الصلابة TnIR-A-10 مطلي بالذهب للعينات الأكثر ليونة عندما تكون هناك حاجة إلى صلابة أقل للعتلة. ويتميز مسبار AFM–IR بوضع النقر منخفض الصلابة بنصف قطر طرف اسمي يبلغ 20 nm، وثابت نابض قدره 3 N/m، وتردد رنين يبلغ 75 kHz. راجع قسم المناقشة لمزيد من التفاصيل بشأن اختيار المسبار المناسب والاعتبارات ذات الصلة.
ثبّت المسبار المختار على رأس AFM (الشكل 4A، 4B).
ملاحظة: تحتوي مسابير AFM–IR المستخدمة للإضاءة من الأعلى إلى الأسفل عادةً على طبقة رقيقة من Au أو Pt على العتلة والركيزة. وتعمل هذه الطبقة على تقليل امتصاص الأشعة تحت الحمراء (IR) للمسبار، وتنتج استجابة طيفية أكثر استواءً، وتعزز المجال الكهربائي المحلي عند قمة المسبار من خلال تأثير "مانعة الصواعق"، مما يزيد من التمركز وتضخيم الإشارة الكهروحرارية بشكل مستقل عن الطول الموجي⁸^,¹⁵^,¹⁶^,⁷⁷^,⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹.
ثبّت العينة على قرص عينة مغناطيسي متوافق مع حامل عينات نظام AFM–IR، مع تأمين العينة باستخدام شريط كربوني مزدوج الوجه، أو معجون فضي، أو طلاء أظافر، أو غراء فائق، أو إيبوكسي.
ملاحظة: استخدم مادة لاصقة موصلة مثل الشريط الكربوني أو المعجون الفضي إذا كان سيتم إجراء أوضاع AFM الكهربائية أو توصيف لاحق باستخدام المجهر الإلكتروني.
اختر أيقونة "تحميل" (Load) في نافذة مسبار AFM لفتح نافذة معالج تحميل الطرف (Load Tip Wizard).
تحقق من أن المسبار ومنطقة العينة ذات الأهمية مرئيتان ضمن المجال البصري (الشكل 4C، 4D).
ملاحظة: يمكن استيعاب عينات يصل قطرها إلى 25 mm تقريبًا على حامل العينات؛ ومع ذلك، فإن المنطقة المركزية التي تبلغ 6 mm × 8 mm فقط هي المتاحة لقياسات AFM–IR. ستعتمد المنطقة ذات الأهمية على ما يرغب المستخدم في فحصه باستخدام AFM–IR، ولكن استخدم علامات بصرية بالتنسيق مع المخططات التوضيحية للعينة لتمييز وتحديد الموقع.
اضبط التركيز البصري باستخدام الأسهم للأعلى/الأسفل في نافذة "التركيز على المسبار" (Focus on Probe) حتى تظهر حواف العتلة الأقرب إلى قمة المسبار بوضوح، ثم انقر فوق "التالي" (Next).
ضع علامة التقاطع مباشرة فوق طرف المسبار عند الطرف البعيد للعتلة في نافذة "تمركز علامات التقاطع" (Center Crosshairs)، وهو ما سيؤدي إلى تمركز طرف المسبار في المجال البصري، ثم انقر فوق "التالي" (Next).
اضبط التركيز البصري باستخدام الأسهم للأعلى/الأسفل في نافذة "التركيز على العينة" (Focus on Sample) حتى تظهر ميزات سطح العينة بوضوح.
استخدم أسهم التحكم في منصة التنقل Sample XY وعرض المجهر البصري للتنقل في العينة حتى يتم وضع المنطقة ذات الأهمية تحت طرف المسبار، ثم انقر فوق "التالي" (Next).
اضبط مسافة التوقف (Standoff) على 100 µm على الأقل واختر "الاقتراب فقط" (Approach Only).
ملاحظة: بعد النقر فوق "الاقتراب فقط"، سيقترب الطرف إلى مسافة التوقف من سطح العينة وستغلق نافذة معالج تحميل الطرف تلقائيًا.
استخدم مقابض تحكم محاذاة ليزر AFM لوضع ليزر AFM على ظهر العتلة مباشرة فوق طرف المسبار ولتحقيق أقصى جهد لمجموع الليزر (الشكل 4C).
1. مركز الليزر عرضيًا على العتلة.
2. ضع الليزر بالقرب من قمة العتلة فوق طرف المسبار.
3. اضبط موضع الليزر حتى يتم تحقيق أقصى جهد لمجموع الليزر.
  ملاحظة: تحقق من أن جهد مجموع الليزر يتجاوز 5 V عند استخدام مسبار AFM–IR بوضع النقر عالي الصلابة. إذا لم يكن كذلك، فقد يكون المسبار تالفًا أو غير مثبت بشكل صحيح.
اضبط مقابض تحكم محاذاة الكاشف الضوئي لتمركز شعاع الليزر المنعكس على الصمام الثنائي الضوئي الحساس للموضع.
1. اضبط المحاذاة حتى تكون إشارة الانحراف ضمن ±0.1 V من الصفر.
2. تحقق من أن قراءة الانحراف (Deflection) تعرض مؤشرًا أخضر متمركزًا في حقل القراءة (الشكل 4E).
أغلق غلاف الجهاز.
زد معدل تدفق غاز التطهير إلى 7 L/min تقريبًا واستمر في التطهير حتى تنخفض رطوبة الغلاف إلى أقل من 8%.
قلل معدل تدفق غاز التطهير إلى 4 L/min تقريبًا للحفاظ على مستوى الرطوبة المنخفض طوال القياسات اللاحقة.
ملاحظة: يقلل خفض معدل تدفق غاز التطهير من الاضطرابات التي قد تؤدي إلى حدوث ضجيج في تصوير AFM. وبشكل عام، تكون العينات التي تظهر امتصاصًا أقوى للأشعة تحت الحمراء (IR) أقل حساسية للرطوبة المتبقية. في بعض الظروف، قد تكون مستويات الرطوبة التي تصل إلى 10% تقريبًا مقبولة، مما يسمح بأوقات تطهير أقصر واستهلاك أقل للغاز مع تقليل الاضطرابات.

figure-protocol-2
الشكل 4. إعداد الجهاز، ومحاذاة المسبار، وضبط الكابول لنظام AFM–IR من طراز nanoIR3-s يعمل ببرنامج Analysis Studio v3.17. (أ) مجموعة رأس AFM توضح مقبض رأس AFM، ومقبض المنزلق، ومكونات تحديد وضعية الرأس. (ب) حامل المسبار الذي يحتوي على مسبار AFM–IR من طراز TnIR-D-10 مثبت مسبقاً. (ج) ضوابط المحاذاة المستخدمة لوضع ليزر انحراف AFM على الكابول وتوسيط الشعاع المنعكس على الصمام الثنائي الضوئي الحساس للوضع. (د) صورة بصرية للعينة ومسبار AFM قبل محاذاة الليزر، تظهر إشارة مجموع ليزر منخفضة. (هـ) صورة بصرية بعد محاذاة الليزر، تظهر إشارة مجموع ليزر أكبر من 5 V وانحرافاً شبه منعدم للكابول. (و) منحنى ضبط نموذجي لتردد الرنين الأول (f₁) لمسبار TnIR-D-10 عند 240 kHz تقريباً والمستخدم في اكتساب التضاريس (وضع القيادة - Drive Mode). (ز) منحنى ضبط نموذجي للرنين ذي التردد الأعلى (f₂) عند 1550 kHz تقريباً والمستخدم في الكشف الضوئي الحراري (وضع الكشف - Detection Mode). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

2. ضبط المسبار

أجرِ زوجاً من عمليات ضبط الكابول (cantilever tunes) لتحديد ترددات رنين المسبار التي ستُستخدم في وضع القيادة (Drive Mode) ووضع الكشف (Detection Mode) (الشكل 4F، 4G).
ملاحظة: سيضمن اتباع الإجراء الموضح أدناه أن ينتج عن ضبط الكابول قمم رنين متباعدة جيداً لكل من رنين التضاريس (وضع القيادة) ورنين الكشف بالأشعة تحت الحمراء (وضع الكشف).
1. تحقق من اختيار وضع Tapping AFM–IR من القائمة المنسدلة في نافذة مسح AFM.
2. انقر على أيقونة الشوكة الرنانة لفتح نافذة ضبط الكابول (Cantilever Tune).
أجرِ عملية ضبط الكابول في وضع القيادة (Drive Mode).
1. في لوحة ضبط وضع القيادة، حدد نطاق مسح ترددي يبلغ 100 kHz تقريباً حول تردد الرنين الاسمي للمسبار (الشكل 4F)، ثم انقر على سهم البدء الأخضر.
  ملاحظة: عادة ما يتم إدراج تردد الرنين الاسمي على العلبة التي يأتي فيها مسبار AFM.
2. حدد قمة الرنين التي ستُستخدم لتصوير التضاريس في وضع النقر (tapping-mode). اختر قمة بارزة معزولة ذات شكل غاوسي (Gaussian-shaped) دون وجود كتف ملحوظ. وعموماً، تكون القمة ذات السعة الأعلى في نطاق المسح الترددي والتي تستوفي هذه المعايير هي الأفضل.
3. قلل نطاق المسح إلى 10 kHz تقريباً وقم بتحسين تردد الرنين المختار حتى يتم تحليل تردد القمة بوضوح.
  ملاحظة: اختر تردداً لوضع القيادة أقل قليلاً من قمة الرنين بحيث يقلل سعة التذبذب في الفضاء الحر بنسبة 5% تقريباً بالنسبة لسعة القمة (الشكل 4F). يساعد هذا الإزاحة في تعويض تفاعلات فان دير فال الجاذبة أثناء الاقتراب ويعزز التشغيل ضمن نظام التفاعل التنافري أثناء تصوير وضع النقر.
4. اضبط قوة وضع القيادة (Drive Mode Strength) حتى يتم الوصول إلى سعة قصوى تبلغ 9 V تقريباً.
  ملاحظة: تكون قوة وضع القيادة عادةً بين 0.2% و5%.
أجرِ عملية ضبط الكابول في وضع الكشف (Detection Mode).
1. في لوحة ضبط وضع الكشف، اضبط التردد المركزي ليكون ستة أضعاف تردد وضع القيادة تقريباً.
2. اضبط نطاق مسح وضع الكشف ليكون 500 kHz تقريباً (الشكل 4G)، ثم انقر على سهم البدء الأخضر.
3. اختر أبرز قمة رنين معزولة ذات شكل غاوسي في طيف تردد وضع الكشف دون وجود كتف ملحوظ. وعموماً، تكون القمة ذات السعة الأعلى في نطاق المسح الترددي والتي تستوفي هذه المعايير هي الأفضل.
4. قلل نطاق المسح إلى 10–20 kHz تقريباً وقم بتحسين تردد وضع الكشف المختار حتى يتم تحليل قمة الرنين بوضوح.
5. اضبط قوة وضع الكشف (Detection Mode Strength) حتى يتم الوصول إلى سعة قصوى تبلغ 9 V تقريباً.
  ملاحظة: تكون قوة وضع الكشف عادةً بين 5% و50%.
6. اضبط تردد وضع الكشف على السعة القصوى للرنين المختار.
  ملاحظة: قد يؤثر اختيار رنينات وضع القيادة والكشف لـ AFM–IR في وضع النقر المكتشف بالهجينة (heterodyne-detected) بشكل كبير على استجابة الأشعة تحت الحمراء المقاسة أثناء التصوير والتحصيل الطيفي. يعتمد الخيار الأمثل على كل من قمم رنين كابول مسبار AFM وقدرات أو قيود أجهزة الجهاز، بما في ذلك أقصى تردد للـ dither-piezo وعرض نطاق المتحكم. في هذا البروتوكول وفي الشكل 4F، 4G، يتم استخدام f₁ لتحصيل التضاريس (وضع القيادة)، ويتم استخدام f₂ للكشف بالأشعة تحت الحمراء (وضع الكشف). راجع قسم المناقشة للاطلاع على اعتبارات اختيار رنينات القيادة والكشف، بما في ذلك الحالات التي قد يكون فيها تبديل ترتيب ترددي وضع القيادة ووضع الكشف مفضلاً.
انقر على أيقونة علامة الصح الخضراء لقبول ضبط الكابول (Accept Cantilever Tune) لحفظ إعدادات وضع القيادة ووضع الكشف.

3. تصوير مجهر القوة الذرية (التضاريس)

انقر على أيقونة Engage الخضراء في نافذة AFM Probe لتثبيت المسبار على سطح العينة.
تنبيه: راقب بث الفيديو المباشر في نافذة Microscope طوال عملية التثبيت. اسحب المسبار فوراً إذا انزاحت بقعة الليزر عن ذراع المسبار (cantilever)، أو إذا انثنى الذراع بشكل مفرط (انحراف photodetector ≥ ~5 V)، أو إذا انكسر الذراع أثناء التثبيت.
تحقق من نجاح تثبيت المسبار من خلال التأكد من أن إشارة Laser Sum تظل قريبة من قيمتها في الفضاء الحر، وأن التقلبات في مراقب Z Position تظل أقل من ±0.2 µm (أي أن مؤشر ضوء شريط حالة Z Position يتذبذب بمقدار موضع واحد أو أقل زيادة أو نقصاناً).
قم بتعطيل التصوير بالأشعة تحت الحمراء IR بعد نجاح تثبيت المسبار عن طريق إلغاء تحديد مربع الاختيار IR Imaging Enabled في نافذة NanoIR.
ابدأ مسح AFM عن طريق اختيار أيقونة Scan في نافذة AFM Scan.
تأكد من أن Feedback في وضع التشغيل On (زر الاختيار).
اضبط قيمة Setpoint لسعة نمط النقر (tapping-mode) لتكون أقل من 8 V.
ملاحظة: التشغيل بقيمة setpoint للسعة تتراوح بين 70%–90% تقريباً من سعة الفضاء الحر (حوالي 6–8 V لسعة فضاء حر بوضع Drive Mode قدرها 9 V كما في الخطوة 2.2.4) يوفر عموماً تتبعاً طبوغرافياً جيداً. قد تؤدي القيم الأقل لـ setpoint إلى تحسين تتبع الميزات ذات النسبة الباعية العالية ولكنها تزيد من خطر تلف المسبار و/أو العينة.
حسّن مكاسب التغذية الراجعة (feedback gains) عن طريق ضبط المكاسب لتحقيق أفضل تطابق بين مساري التتبع (trace) والرجوع (retrace) – زد المكاسب حتى يصبح ضجيج التغذية الراجعة ظاهراً في صورة الطبوغرافيا و/أو قناة الخطأ، ثم قلل المكاسب حتى يختفي الضجيج المتزايد.
ملاحظة: قيم المكاسب النموذجية هي 3–5 للمكسب التكاملي I (Integral) و 5–7 للمكسب التناسبي P (Proportional).
اختر حجم المسح (العرض والارتفاع) المناسب للميزة أو الميزات المستهدفة.
ملاحظة: استُخدمت أحجام مسح تتراوح بين 5–20 µm في هذا العمل. الحد الأقصى لحجم مسح XY لنظام AFM–IR هو 50 µm. اختر حجم مسح يشمل الميزات المستهدفة بالكامل مع توفير دقة بكسل كافية لتحليل تلك الميزات ضمن الحدود التي تفرضها عملية الالتفاف لنصف قطر رأس المسبار (tip-radius convolution).
اختر معدل مسح يوفر تطابقاً مقبولاً بين مساري التتبع والرجوع مع الحفاظ على أوقات تحصيل عملية.
ملاحظة: كلما زاد التباعد بين خطوط التتبع والرجوع، قلّت دقة تتبع المسبار لطبوغرافيا العينة. وبشكل عام، يزداد هذا التباعد مع زيادة معدلات المسح. ومع ذلك، كلما كان مسح المسبار أبطأ، استغرق تحصيل البيانات وقتاً أطول. توفر معدلات المسح التي تبلغ حوالي 0.5–2 Hz عادةً توازناً مناسباً بين سرعة التحصيل والضجيج. بالنسبة لأحجام المسح النموذجية من 5–20 µm، يقابل ذلك سرعات مسبار تبلغ حوالي 10–20 µm/s. تُحسب سرعة المسبار بضرب ضعف حجم المسح (لحساب حركة التتبع والرجوع) في معدل المسح. قد توجد استثناءات لهذه النطاقات، فعلى سبيل المثال، قد تحتاج العينة الخشنة جداً (مثل Rq > 30 nm) إلى مسح بسرعة مسبار <10 µm/s، بينما يمكن تتبع العينة المسطحة ذرياً (مثل Rq < 1 nm) جيداً بسرعة مسبار >20 µm/s.
اختر دقة البكسل الجانبية (X و Y).
ملاحظة: أقصى حجم صورة يدعمه نظام AFM–IR هو 1024 × 1024 بكسل. دقة البكسل هي حجم المسح مقسوماً على عدد البكسلات لكل خط. ومع ذلك، فإن الدقة الفيزيائية محدودة بنصف قطر رأس المسبار. على سبيل المثال، مسبار AFM–IR بنمط النقر عالي الصلابة لديه نصف قطر رأس اسمي يبلغ 20 nm؛ لذلك فإن اختيار تباعد بكسلي جانبي أقل بكثير من ~20 nm قد يؤدي إلى إفراط في أخذ العينات وتدهور نسبة الإشارة إلى الضجيج S:N مع تحسن طفيف أو دون تحسن في الدقة الفيزيائية.
طبق إزاحات (Offsets) لـ X و Y piezo حسب الحاجة لتوسيط المنطقة المستهدفة ضمن منطقة المسح.
واصل المسح مع ضبط قيمة setpoint للسعة ومكاسب التغذية الراجعة بشكل تكراري لتحسين جودة الصورة من خلال التحقق من تطابق مساري التتبع والرجوع وتقليل إشارة الخطأ (أي زيادة مكاسب التغذية الراجعة حتى قبيل ظهور زيادة في الضجيج، كما هو موضح في الخطوة 3.7) لحجم المسح ومعدل المسح ودقة البكسل المختارة.
بعد تحسين معاملات التصوير، واصل مسح المنطقة الكاملة لالتقاط صورة للمنطقة المستهدفة لتحليل IR.
ملاحظة: كما هو موضح في النتائج النموذجية، تعتمد المنطقة المراد مسحها على احتياجات العينة المحددة (على سبيل المثال، تحليل طيفي IR انتقائي لنقطة ملوّث، أو رسم خرائط IR للتوزيع المكاني لمجموعة وظيفية كيميائية معينة، إلخ).
اختر أيقونة Stop في نافذة AFM Scan لإيقاف المسح بعد اكتمال خريطة الطبوغرافيا وتأكيد المواقع المستهدفة.
ملاحظة: إذا رغبت في ذلك (على سبيل المثال، إذا كان سيتم جمع أطياف IR لنقاط فقط لاحقاً بدلاً من خرائط IR، ولكن مع الرغبة في ربط أطياف IR بالميزات الطبوغرافية)، احفظ صورة طبوغرافيا AFM عن طريق اختيار Capture: Last Frame من شريط أدوات نافذة Microscope.

4. محاذاة وتحسين ليزر الأشعة تحت الحمراء (IR)

حدد سمة ذات أهمية يُحتمل أن تكون نشطة بالأشعة تحت الحمراء (IR-active) في صورة تضاريس مجهر القوة الذرية (AFM).
ملاحظة: قد يكون تحديد السمة النشطة بالأشعة تحت الحمراء ذات الأهمية عملية تكرارية، وذلك اعتماداً على مدى مسبقاً المعرفة بتكوين العينة، بالإضافة إلى مدى التطابق (أو عدمه) بين السمات الطبوغرافية والسمات التي يمكن تحديدها والنشطة في الأشعة تحت الحمراء. وبناءً على ذلك، يمكن أن يكون من المفيد تصنيع عينة لمحاذاة الأشعة تحت الحمراء، مثل فيلم غطاء بولي إيثيلين تيرفثالات (PET) على ركيزة عالية الانعكاسية كما هو موضح في الشكل 5.
حرك المسبار إلى الميزة المختارة باستخدام وظيفة التنقل عبر النقر المباشر في بث الفيديو الحي بنافذة المجهر.
انقر على أيقونة المحاذاة (Align) في نافذة NanoIR لفتح نافذة معالج تحميل الرأس (Load Tip Wizard). سيؤدي ذلك إلى تفعيل ليزر المحاذاة المرئي الذي يقع على خط واحد مع مسار ليزر الأشعة تحت الحمراء (IR).الشكل 5أ، 5B).
اضبط بؤرة الأشعة تحت الحمراء (IR) باستخدام السهمين "أعلى" و"أسفل" في خانة "ضبط بؤرة الأشعة تحت الحمراء" (Adjust IR Focus) الموجودة في نافذة "محاذاة الليزر المركزية" (Center Align Laser)، وذلك لتحديد الموضع البؤري الذي ينتج أصغر بقعة ليزر مرئية وأكثرها استدارة (الشكل 5B).
ملاحظة: ستجعل العينة عالية الانعكاس رؤية شعاع الليزر المرئي أكثر سهولة في حال عدم اصطدامه برافعة التوازن (cantilever).
قم بتوسيط ليزر المحاذاة المرئي على الجزء الخلفي من العتلة مباشرةً فوق طرف المسبار باستخدام أسهم ملاحة ليزر المحاذاة (Align Laser Navigation).
انقر فوق "إنهاء" لإغلاق نافذة معالج تحميل الرأس (Load Tip Wizard).
ملاحظة: توفر الخطوات من 4.3 إلى 4.6 محاذاة تقريبية فقط. يتم إجراء التحسين النهائي لمحاذاة الحزمة وتركيزها باستخدام حزمة الأشعة تحت الحمراء (IR) في الخطوات اللاحقة لضمان الحصول على استجابة ضوئية حرارية قابلة للقياس من العينة.الشكل 5C، 5D).
اختر عددًا موجيًا للأشعة تحت الحمراء يتوافق مع نمط اهتزازي معروف النشاط بالأشعة تحت الحمراء للميزة المستهدفة.
ملاحظة: قد تساهم المعرفة المسبقة بالتركيب الكيميائي المتوقع ونطاقات امتصاص الأشعة تحت الحمراء (IR) المقابلة في تبسيط عملية التحسين. فعلى سبيل المثال، تُظهر مجموعات الكربونيل (C=O) عادةً امتصاصاً قوياً للأشعة تحت الحمراء بالقرب من 1720-1730 سم-1.⁻¹.
تحقق من تفعيل جميع إجراءات السلامة الخاصة بالليزر المطلوبة قبل تشغيل مصدر الأشعة تحت الحمراء.
تنبيه: إشعاع الأشعة تحت الحمراء (IR) غير مرئي وقد يسبب إصابة خطيرة للعين. اتبع جميع متطلبات السلامة المتعلقة بالليزر قبل تفعيل مصدر الأشعة تحت الحمراء، بما في ذلك اللوحات الإرشادية، وأقفال السلامة المتداخلة، والمصاريح (shutters)، وعناصر التحكم في الغلاف، ونظارات السلامة الخاصة بالليزر عند الاقتضاء. يعد مصدر OPO عريض النطاق نظام ليزر من الفئة 4، بينما يعد مصدر QCL نظام ليزر من الفئة 3B. أما نظام AFM–IR عند تركيبه، فيصنف ضمن الفئة 2 لأن أنابيب الحزم تحتوي على أشعة الليزر، وتعمل أقفال السلامة المتداخلة على إغلاق المصاريح عند فتح غلاف نظام AFM–IR. وبما أن المصاريح مصممة لتغلق تلقائيًا عند انقطاع التيار الكهربائي، فإن نظارات السلامة الخاصة بالليزر ليست مطلوبة أثناء التشغيل الروتيني، ما لم يتم تعطيل أقفال السلامة أو فتح المصاريح قسرًا أثناء الصيانة أو عند إعادة محاذاة الحزمة. وعندما تكون النظارات مطلوبة، استخدم نظارات السلامة الخاصة بليزر الأشعة تحت الحمراء التي توفر الحماية عبر النطاق الكامل لليزر الأشعة تحت الحمراء، مثل نظارات Schott-glass للسلامة من ليزر الأشعة تحت الحمراء.
اختر قدرة الأشعة تحت الحمراء الساقطة (incident IR Power) المطلوبة من القائمة المنسدلة لمستويات التوهين المتاحة في نافذة NanoIR، وذلك بناءً على توليفات عجلة مرشح الكثافة المحايدة المتاحة.
ملاحظة: قد تؤدي قدرة الأشعة تحت الحمراء المفرطة إلى تلف المواد الحساسة حراريًا. بالنسبة للعينات القائمة على البوليمر في نظام AFM–IR، يجب الحفاظ على قدرة الأشعة تحت الحمراء دون 20% تقريبًا.
اضبط دورة عمل الليزر (Duty Cycle) في نافذة NanoIR.
ملاحظة: بالنسبة لمصدر OPO عريض النطاق، استخدم دورة تشغيل بنسبة 50%. أما بالنسبة لـ QCL، فاستخدم دورة تشغيل أقل من 10%، وعادةً ما تكون بين 2% و4%. وفي حالة تشغيل QCL، تحدد دورة التشغيل وترشيح الكثافة الحيادية معاً قدرة الأشعة تحت الحمراء الساقطة، حيث تتناسب القدرة خطياً مع دورة التشغيل. ويقوم البرنامج تلقائياً بتعديل مدة نبضة QCL من 40 نانوثانية إلى 500 نانوثانية بزيادات قدرها 20 نانوثانية لتتوافق مع دورة التشغيل المختارة ومعدل تكرار النبضات.
انقر فوق أيقونة التحسين (Optimize) في نافذة NanoIR لفتح نافذة تحسين الأشعة تحت الحمراء (IR Optimize).
قم بتعديل شريط التمرير الموجود في أعلى نافذة "IR Optimize" لاختيار منطقة أكبر من 200 µم × 200 µوبالنقر على Scan لمسح شعاع الأشعة تحت الحمراء (IR beam) نقطياً.
قم بضبط تركيز الأشعة تحت الحمراء (IR) إذا لزم الأمر للتعويض عن الاختلافات بين محاذاة الضوء المرئي وحزم الأشعة تحت الحمراء. وللقيام بذلك، انقر فوق "Tools" واختر "Focus Capture". حدد عدد لقطات التركيز (على سبيل المثال 5)، بالإضافة إلى نقطتي البداية والنهاية للتركيز، ثم انقر فوق "Focus Capture" لتحسين محاذاة الحزمة والتركيز في آن واحد.
ملاحظة: يجب أن ينتج عن الشعاع المحاذى بشكل صحيح ملف استجابة غاوسي تقريبًا. الشكل 5ج يوضح خريطة تحسين الحزمة التي يتم الحصول عليها عندما تكون العينة غير نشطة في الأشعة تحت الحمراء عند العدد الموجي المحدد و/أو عندما يكون محاذاة الأشعة تحت الحمراء والتركيز غير مُحسَّنين بشكل جيد. الشكل 5-د يظهر شعاعاً نموذجياً مُحسَّناً بحجم بقعة يبلغ 40-50 تقريباً µواستجابة ضوئية حرارية تبلغ حوالي 3 ميلي فولت فوق مستوى الخلفية. وبحجم بقعة شعاع يبلغ < 100 µم م باستجابة كهروضوئية حرارية تبلغ > تعتبر القيمة التي تزيد بمقدار 0.5 ميلي فولت عن الخلفية مقبولة عموماً؛ ومع ذلك، فإن هذا سيعتمد على الحجم الدقيق للحزمة المدخلة، وجودة النمط، والتباعد، والطول الموجي، بالإضافة إلى تصميم مسار الحزمة (على سبيل المثال، بصريات التركيز، ومرشحات الكثافة المحايدة، وغيرها). كما تعتمد قيمة الاستجابة الضوئية الحرارية بشكل كبير على قوة امتصاص الأشعة تحت الحمراء للعينة نفسها، والتي تعتمد بدورها على مقدار التغير في عزم ثنائي القطب للرابطة أثناء الاهتزاز وعدد تلك الروابط الموجودة في منطقة استجابة المجال القريب للمسبار.
كرر تحسين الحزمة عند أعداد موجية إضافية عندما يتم الحصول على أطياف أو خرائط كيميائية عبر نطاق طيفي واسع.
ملاحظة: قد يختلف محاذاة الشعاع وبؤرته وفقاً للطول الموجي؛ لذا، يجب تحسين محاذاة الشعاع وبؤرته عند أرقام موجية متعددة عندما يتم الحصول على أطياف أو خرائط كيميائية عبر نطاق طيفي واسع.⁸.
انقر فوق "موافق" (OK) لإغلاق نافذة "تحسين الأشعة تحت الحمراء" (IR Optimize) وحفظ الإعدادات.
انقر على أيقونة Pulse Tune في نافذة NanoIR لفتح نافذة Laser Pulse Tune.
اضبط نطاق الضبط (Tune Range) ليكون في حدود 100-200 كيلوهرتز تقريبًا، بحيث يكون ممركزًا حول معدل نبضات تردد الفرق الاسمي الذي تم تحديده أثناء ضبط المسبار.
ملاحظة: معدل تكرار النبضات الاسمي يساوي |f₂ − f₁، حيث f₁ و f₂ هي ترددات الرنين المختارة للتشغيل والكشف.
قم بمسح معدل تكرار نبضات الليزر عبر نطاق الضبط المحدد لمعدل النبضات بالنقر فوق Acquire.
تحقق من رصد ذروة رنين بارزة ومعزولة على شكل توزيع غاوسي دون وجود كتف ملموس، على غرار الخطوات 2.2.2 و2.3.3 في مرحلة ضبط المسبار (Probe Tuning) عند اختيار رنينات وضع التشغيل والكشف (Drive and Detection Mode).
ملاحظة: قم بزيادة نطاق المسح ليصل إلى 1,000 كيلو هرتز في حال عدم ملاحظة ذروة رنين واضحة تستوفي المعايير المذكورة أعلاه.
حدد ذروة الرنين المحددة. وتعتبر الذروة ذات السعة الأعلى ضمن نطاق معدل تكرار نبضات الليزر (التردد) المختار والتي تستوفي معايير الاختيار هي الأفضل عموماً، ومن شأنها أن تعطي أقوى استجابة امتصاص للأشعة تحت الحمراء مُضخمة تباينياً (heterodyne-amplified).
قم بتقليل نطاق الضبط المراد مسحه ليكون ≤50 كيلوهرتز.
قم بتحسين معدل تكرار النبضات المختار من خلال تحديد الحد الأقصى لذروة الرنين.
قم بتفعيل حلقة القفل الطوري (PLL) ضمن خيار الضبط التلقائي (Auto-Tune).
ملاحظة: يحافظ حلقة القفل المرحلي (PLL) على معدل تكرار نبضات الليزر عند تردد الفرق بين أنماط الاهتزاز الذاتية المختارة للمجس، مما يعوض انزياح تردد الرنين أثناء القياس.¹⁵.
اضبط عرض نطاق حلقة القفل الطوري (PLL) ليكون ≤ ±بمقدار 30 كيلو هرتز حول الرنين المحدد، وذلك من خلال ضبط الترددات الدنيا والقصوى المسموح بها المقابلة.
اضبط حد حلقة تتبع الطور (PLL) ليكون أعلى قليلاً من مستوى الضجيج المرصود في مرحلة ضبط النبضة (حوالي 1.1 ضعف مستوى الضجيج).
انقر فوق موافق لإغلاق نافذة ضبط نبض الليزر وحفظ الإعدادات.
ملاحظة: أعد التأكد من محاذاة الليزر إذا كان معدل تكرار النبضات المُحسَّن يختلف بشكل كبير عن القيمة التي تم الحصول عليها أثناء الضبط الأولي للمجس.
اختيار الأدوات > معايرة الخلفية بالأشعة تحت الحمراء (IR Background Calibration) من القائمة الرئيسية.
انقر فوق "جديد" (New) للحصول على طيف الخلفية، I₀(ṽ).
تأكد من أن معدل النبض ودورة التشغيل يتطابقان مع القيم التي تم تحديدها أثناء تحسين الأشعة تحت الحمراء (IR optimization).
اضبط الدقة الطيفية (سم⁻¹)⁻¹/pt) مساوية للقيمة المخطط لها لعملية الحصول على العينة.
ملاحظة: تعتمد أقصى دقة طيفية يمكن تحقيقها على مصدر الأشعة تحت الحمراء (<1 سم⁻¹ لجهاز MIRcat QCL وحوالي 20 سم⁻¹ (العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى لجهاز APE Carmina الذي يعمل بوضع النطاق الضيق). وتشمل الاعتبارات الإضافية عند اختيار الدقة الطيفية عرض الخطوط الاهتزازية المتوقع والتباعد بين السمات الطيفية (في حال كانت معروفة)، ووقت الاستحواذ المعقول (الذي يتناسب طردياً مع الدقة)، ونسبة الإشارة إلى الضجيج (S:N) المطلوبة (والتي تنخفض مع زيادة الدقة الطيفية). عادةً ما توفر أجهزة مطياف FTIR التجارية المخصصة لتحليل العينات الصلبة دقة قابلة للاختيار من قبل المستخدم بمقدار 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 سم⁻¹⁻¹، وبمقاس 4 سم⁻¹ الدقة، وهي إعداد شائع الاستخدام.
حدد الأعداد الموجية للبداية والنهاية بحيث تشمل النطاق الطيفي الكامل المقصود لقياسات العينة.
اضبط القدرة على 100%.
اضبط الخلفيات على المتوسط لـ 5 عمليات استحواذ.
انقر فوق "Acquire" للحصول على متوسط طيف الخلفية.
ملاحظة: يجب أن يعكس طيف الخلفية عالي الجودة شكل طيف خرج قدرة ليزر الأشعة تحت الحمراء مقابل الطول الموجي الخاص بالشركة المصنعة. يرجى الرجوع إلى ورقة البيانات أو دليل استخدام الليزر. قد تظهر سمات امتصاص إضافية في طيف الخلفية إذا لم يتم تطهير غرفة AFM−IR بشكل كافٍ (على سبيل المثال، يُلاحظ الماء عادةً كسلسلة من قمم الامتصاص بين 1250 و2000 سم⁻¹ تقريبًا).⁻¹، مع قيم قصوى عند ~1550 و ~1700 سم⁻¹⁻¹، بالإضافة إلى نطاق عريض يبلغ ~300 سم⁻¹ امتصاص عريض بعرض كامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) متمركز عند 3750 سم⁻¹⁻¹، بينما CO₂ يظهر عادةً على شكل امتصاص عريض عند ~2325 سم⁻¹⁻¹). راجع كتاب الكيمياء على الويب الخاص بالمعهد الوطني للمعايير والتقنية NIST (https://webbook.nist.gov/chemistry/) للاطلاع على أطياف الأشعة تحت الحمراء الممثلة للطور البخاري لـ H₂الأكسجين وأول أكسيد الكربون₂⁸².
انقر فوق "حفظ" (Save) لحفظ طيف الخلفية وإغلاق نافذة "جمع الخلفية" (Collect Background) تلقائياً.
ملاحظة: أثناء عملية اكتساب الطيف بالأشعة تحت الحمراء (IR Spectral Acquisition)، سيقوم البرنامج تلقائياً بقسمة الاستجابة الفوتوحرارية المقاسة على ملف معايرة خلفية الأشعة تحت الحمراء (IR Background Calibration) لتصحيح التباين في قدرة خرج الليزر كدالة في الطول الموجي/العدد الموجي (أي طيف خرج الليزر).

figure-protocol-3
الشكل 5. سير عمل محاذاة وتحسين ليزر IR. (A) صورة بصرية لمجس AFM مع ليزر محاذاة مرئي غير مركّز وغير ممركز على العارضة. (B) ليزر محاذاة مرئي ممركز على العارضة مباشرة فوق طرف المجس بعد تحسين التركيز والتموضع. (C) مثال لمسح نقطي لمساحة 200 µm × 200 µm باستخدام Carmina OPO مضبوط على 1730 cm⁻¹ ومفلتر بنسبة قدرة 11.39%، تم الحصول عليه تحت ظروف محاذاة وتركيز غير محسنة للحزمة. كانت العينة غير نشطة فعلياً في الأشعة تحت الحمراء (IR) عند العدد الموجي المختار و/أو كان تركيز IR غير محاذٍ بشكل جيد مع الواجهة بين الطرف والعينة؛ وبالتالي، لم يتم اكتشاف أي استجابة ضوئية حرارية موضعية عالية الكثافة. (D) مسح نقطي محسن للحزمة ممركز على نفس المساحة 200 µm × 200 µm حول طرف المجس، يظهر ملف ليزر ممركز وبنمط Gaussian تقريباً بحجم بقعة يتراوح بين 40–50 µm واستجابة ضوئية حرارية قوية بكثافة قصوى تبلغ حوالي 3 mV. (E) طيف AFM–IR نموذجي في وضع النقر (tapping-mode) مكتشف بطريقة heterodyne، تم الحصول عليه بدقة 2 cm⁻¹/point من عينة محاذاة من بولي إيثيلين تيريفثالات (PET) بعد تحسين محاذاة حزمة IR مع طرف المجس عند 1730 cm⁻¹. يمثل المحور y الاستجابة الضوئية الحرارية لـ AFM–IR المقاسة بميلي فولت من الإشارة على الصمام الثنائي الضوئي لارتداد الحزمة (beam-bounce photodiode) عند تردد وضع الكشف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

5. الحصول على الطيف بالأشعة تحت الحمراء

حدد الميزة محل الاهتمام في صورة تضاريس AFM التي تم الحصول عليها مسبقاً، ثم قم بتوجيه مسبار AFM فوق الميزة المختارة في عرض التصوير (Imaging View) باستخدام وظيفة التنقل بالنقر في نافذة المجهر (Microscope window).
حدد نطاق الحصول على الطيف المطلوب (البداية والنهاية بـ cm⁻¹) في نافذة NanoIR بناءً على تغطية الليزر المتاحة وأنماط الاهتزاز المتوقعة محل الاهتمام (إذا كانت معروفة).
ملاحظة: يغطي جهاز APE Carmina المستخدم هنا نطاق 5–15 µm (~670–2000 cm⁻¹)، بينما يحتوي جهاز MIRcat QCL على 4 رقائق تغطي النطاقات 755–1005 و955–1425 و1425–1835 و2635–3000 cm⁻¹. بالنسبة لرقاقة السيليكون المنقوشة وعينات البوليمر الموضحة هنا، فإن النطاق الطيفي التقريبي محل الاهتمام هو 1000–1800 cm⁻¹.
اضبط دقة الطيف (Spectra Resolution) بـ (cm⁻¹/point) في نافذة NanoIR لتتوافق مع القيمة المستخدمة أثناء معايرة الخلفية بالأشعة تحت الحمراء (IR Background Calibration).
اختر قدرة ليزر IR المطلوبة من القائمة المنسدلة في نافذة NanoIR.
ملاحظة: راجع الملاحظة في الخطوة 4.9 وقسم المناقشة للحصول على تفاصيل بخصوص اعتبارات قدرة IR الساقطة.
حدد عدد الأطياف المراد الحصول عليها في نافذة NanoIR.
ملاحظة: على الرغم من أن القيمة الافتراضية هي طيف واحد، إلا أن الحصول على أطياف متعددة يتيح تقييم التباين من طيف إلى آخر ويسمح بإجراء متوسط حسابي يدوي للأطياف في مرحلة ما بعد المعالجة لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S:N).
إذا كان المطلوب هو إجراء متوسط حسابي طيفي لتحسين نسبة S:N، فتأكد من تحديد مربع "Co-average Spectra" وحدد عدد متوسطات الأطياف المطلوبة من القائمة المنسدلة في نافذة NanoIR.
ملاحظة: ستتحسن نسبة S:N وفقاً للجذر التربيعي لعدد المتوسطات الحسابية، بينما سيزداد الوقت المطلوب لعملية الحصول على البيانات خطياً، لذا توجد نقطة تتناقص فيها العوائد المرجوة من زيادة عدد المتوسطات.
انقر فوق Acquire في نافذة NanoIR لبدء الحصول على طيف IR.
إذا رغبت في ذلك، قم بتصدير وحفظ الطيف الذي تم الحصول عليه عن طريق اختيار Export من القائمة المنسدلة File في Analysis Studio.
ملاحظة: تشمل تنسيقات الملفات المتاحة لتصدير الأطياف ملفات CSV وTSV والصور (TIFF أو GIF أو BMP أو PNG أو JPEG). بالإضافة إلى بيانات XY لطيف IR (أي سعة IR كدالة في العدد الموجي لـ IR)، ستتضمن ملفات CSV أو TSV النسبة المئوية لقدرة IR التي اختارها المستخدم، وعامل شكل الحزمة، وتردد PLL، بالإضافة إلى بيانات معايرة الخلفية بـ IR المستخدمة لتقييم الاستجابة الفوتوحرارية الخام وتصحيح طيف قدرة خرج الليزر (راجع الخطوة 4.35). لن تحتوي الصور على أي بيانات وصفية (metadata).
كرر عملية الحصول على البيانات في مواقع إضافية حسب الحاجة.
ملاحظة: راجع قسم النتائج والمناقشة للاطلاع على أمثلة حول اختيار المعاملات وتفسير أطياف AFM–IR.

6. مسح الأشعة تحت الحمراء (النمط الاهتزازي)

اضبط العدد الموجي للأشعة تحت الحمراء (IR wavenumber) في نافذة NanoIR على القيمة القصوى لسعة نمط الاهتزاز المطلوب بناءً على طيف الأشعة تحت الحمراء الذي تم الحصول عليه في الخطوة 5.
ملاحظة: اختر نمط اهتزاز (قمة طيفية) يظهر سعة عالية ويوفر أكبر تباين مادي (أي قمة توجد فقط أو تكون أقوى بشكل ملحوظ في أحد المكونات المادية)، كما هو موضح في النتائج التمثيلية (على سبيل المثال، تمدد الكربونيل عند 1730 cm⁻¹ لـ PMMA في الشكلين 6 و9، أو تمدد Si–O عند 1120 cm⁻¹ لـ SiO₂ في الشكل 7، أو نمط التمدد العطري عند 1600 cm⁻¹ لبقايا المقاوم الضوئي في الشكل 8). يمكن الرجوع إلى مخططات ارتباط الأشعة تحت الحمراء، أو أطياف الأشعة تحت الحمراء المنشورة أو التي تم الحصول عليها محلياً، أو قواعد البيانات الطيفية المتاحة علناً مثل NIST Chemistry WebBook لتعيين القمم⁸².
حدد مربع الاختيار "تمكين التصوير بالأشعة تحت الحمراء" (IR Imaging Enabled) في نافذة NanoIR.
ابدأ مسح AFM بالضغط على أيقونة المسح (Scan) في نافذة AFM Scan. سيؤدي ذلك إلى بدء الحصول المتزامن على صورة تضاريس AFM وخريطة سعة الأشعة تحت الحمراء المقابلة لها.
ملاحظة: عادةً، يمكن استخدام نفس معاملات مسح AFM لرسم خرائط الأشعة تحت الحمراء التي تم استخدامها سابقاً للحصول على صورة تضاريس AFM في الخطوة 3. راجع قسم "النتائج التمثيلية والمناقشة" للاطلاع على أمثلة حول اختيار المعاملات وتفسير الخرائط الكيميائية لـ AFM–IR.
اختر "التقاط: نهاية الإطار" (Capture: End of Frame) من شريط أدوات نافذة المجهر لحفظ صورة تضاريس AFM وبيانات رسم خرائط الأشعة تحت الحمراء.
ملاحظة: يمكن تصدير بيانات تضاريس AFM ورسم خرائط الأشعة تحت الحمراء المحفوظة إما كصورة (TIFF أو GIF أو BMP أو PNG أو JPEG) أو ملف بيانات AFM بصيغة Gwyddion (*.gsf) لإجراء المعالجة اللاحقة وتحليل البيانات دون اتصال بالإنترنت إذا لزم الأمر، وذلك عن طريق اختيار "تصدير" (Export) من القائمة المنسدلة "ملف" (File) في Analysis Studio. وبينما تتوفر البيانات الوصفية المتعلقة بمعاملات الحصول على البيانات في ملف مشروع Analysis Studio، فإن الصور المصدرة أو ملفات بيانات AFM لن تتضمنها. وعلى عكس بيانات تضاريس AFM، تُعرض خرائط الأشعة تحت الحمراء عادةً كما تم الحصول عليها، دون إجراء أو الحاجة إلى معالجة لاحقة (مثل ملاءمة المستوى أو التسطيح)، على غرار أنماط SPM الأخرى غير التضاريسية مثل CAFM/TUNA أو KPFM أو MFM.

figure-protocol-4
الشكل 6. مطيافية AFM–IR والرسم الكيميائي لـ بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) المنقوش. تم نقش PMMA على ركيزة Si/SiO₂ مؤكسدة حراريًا باستخدام نظام التخطيط الشعاعي الإلكتروني (EBL) من Teneo Nabity NPGS. أُجريت القياسات باستخدام AFM–IR بنمط التلامس المعزز بالرنين مع مسبار CnIR-B-10 وجهاز MIRcat QCL تمت فلترته بنسبة 14.75% من قدرة الأشعة تحت الحمراء وضبطه على معدل تكرار نبضات الليزر بنحو 782 kHz بما يتوافق مع رنين التلامس للمسبار مع الحفاظ على نقطة ضبط الانحراف عند 2 V (حمل يبلغ حوالي 4 nN). (A) أطياف AFM–IR التي تم الحصول عليها من مناطق PMMA (اللون البرتقالي) وSiO₂ (اللون الأزرق) في العينة. تمثل الأطياف متوسط خمس عمليات استحواذ متتالية تم جمعها في نفس الموقع بدقة طيفية تبلغ 2 cm^-1/point. تم تنعيم الأطياف في برنامج Origin v10.0.5.157 باستخدام مرشح Savitzky–Golay من الدرجة الثالثة مع نافذة متحركة مكونة من 10 نقاط، وتم إزاحة طيف PMMA رأسيًا من أجل الوضوح. يوضح الشكل الداخلي البنية الجزيئية لـ PMMA، مع إبراز المجموعة الوظيفية للكربونيل (C=O). (B) خريطة كيميائية AFM–IR تم الحصول عليها عند 1730 cm^-1، وهو ما يتوافق مع حزمة امتصاص الكربونيل في PMMA. تغطي الخريطة منطقة بمساحة 15 µm × 15 µm تم الحصول عليها بمعدل مسح 0.5 Hz ودقة بكسل تبلغ 30 nm (500 × 500 بكسل). تم تفعيل حلقة مغلقة الطور (PLL) طوال عملية الحصول على الصورة لتتبع التغيرات في تردد رنين التلامس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-protocol-5
الشكل 7. توصيف AFM–IR للترسيب الانتقائي للمساحة (ASD) لبوليبيرول (PPy) على هياكل سيليكون منقوشة. أجريت القياسات باستخدام AFM–IR بنمط النقر المكتشف بالتردد المتغاير ومسبار TnIR-D-10. تم ترشيح Carmina OPO إلى 4.15% من قوة الأشعة تحت الحمراء وضبط معدل تكرار نبضات الليزر عند 258 kHz تقريبًا، وهو ما يتوافق مع الفرق بين ترددات وضع التشغيل ووضع الكشف للتضخيم المتغاير لإشارة الاستجابة الضوئية الحرارية للأشعة تحت الحمراء، مع ضبط عرض نطاق PLL عند ±25 kHz. (أ) صورة مجهر إلكتروني ماسح (SEM) للمقطع العرضي للرقاقة المنقوشة تظهر نتوءات السيليكون المغطاة بـ SiN والمجاورة لخنادق SiO₂. (ب، ج) صور تضاريس AFM بدقة 256 × 256 بكسل لمناطق منقوشة ممثلة تعرض (ب) مساحة 10 µm × 10 µm بدقة بكسل تبلغ 40 nm تقريبًا و (ج) مساحة 5 µm × 5 µm بدقة بكسل تبلغ 20 nm تقريبًا. (د) أطياف AFM–IR الخام التي تم الحصول عليها من مناطق SiO₂ و SiN، بدقة طيفية تبلغ 2 cm^-1/point، وتظهر نمط تمدد Si–O المميز عند 1120 cm^-1 تقريبًا. (هـ) خريطة كيميائية بـ AFM–IR تم الحصول عليها عند 1120 cm^-1. تشير زيادة كثافة الإشارة إلى امتصاص Si–O أقوى. (و) تمثيل ثلاثي الأبعاد لاستجابة AFM–IR عند 1120 cm^-1 متراكب على تضاريس العينة بعد ترسيب PPy. يلاحظ الترسيب الموضعي داخل خنادق SiO₂. دقة البكسل لخرائط الأشعة تحت الحمراء بمساحة 5 µm × 5 µm الموضحة في (هـ) و (و) تبلغ 20 nm تقريبًا (256 × 256 بكسل). تم الحصول على الخرائط بمعدل مسح 0.5 Hz. تم تكييف البيانات الأساسية والشكل بإذن بموجب ترخيص CC BY 4.0 من الشكل 6 في Thelven et al.⁴⁴. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-protocol-6
الشكل 8. تحليل AFM–IR لعملية إزالة مقاوم الضوء. أُجريت القياسات باستخدام AFM–IR بنمط النقر المكتشف بالتردد المغاير ومسبار TnIR-D-10. تم ترشيح Carmina OPO إلى 4.15% من قدرة الأشعة تحت الحمراء وضبط معدل تكرار نبضات الليزر عند 266 kHz تقريبًا، وهو ما يتوافق مع الفرق بين ترددي نمط التشغيل والكشف للتضخيم المغاير لإشارة الاستجابة الضوئية الحرارية للأشعة تحت الحمراء، مع ضبط عرض نطاق PLL على ±25 kHz. (أ) خريطة كيميائية بـ AFM–IR لمنطقة بمساحة 20 µm × 20 µm تم الحصول عليها بمعدل مسح 0.3 Hz ودقة بكسل 50 nm (400 × 400 بكسل)، مع ضبط ليزر الأشعة تحت الحمراء عند 1600 cm^-1، وهو ما يتوافق مع اهتزازات الحلقة العطرية المميزة لمقاوم الضوء. تم تحديد المناطق المشتبه في وجود تلوث متبقٍ بها بخطوط متقطعة. تمت إزالة الخطوط الأفقية الناتجة عن تتبع المسبار الضعيف للملامح المفاجئة باستخدام دالة تصحيح الندبات في برنامج Gwyddion v2.69. (ب) أطياف AFM–IR تم الحصول عليها بدقة 1 cm^-1/نقطة من المواقع المحددة في (أ). يمثل الموقع A مقاوم الضوء، ويمثل الموقع B منطقة تلامس ملوثة، ويمثل الموقع C سطح Ga₂O₃ نظيفًا اسميًا. تشير المنطقة المظللة إلى النطاق الطيفي المستخدم لإنشاء الخريطة الكيميائية بناءً على الاستجابة الضوئية الحرارية للعينة عند 1600 cm^-1. تم تنعيم الأطياف باستخدام مرشح معالجة لاحقة FFT في برنامج Gwyddion v2.69. تم تكييف البيانات الأساسية والشكل بإذن بموجب رخصة CC BY 4.0 من الشكل 6 في Pieczulewski et al.⁴⁵. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-protocol-7
الشكل 9. تأثير اختيار رنين التلامس على أداء AFM–IR في نمط التلامس المعزز بالرنين. أُجريت القياسات على عينة واحدة من PMMA على Si/SiO₂ منقوشة بتقنية EBL باستخدام AFM–IR في نمط التلامس المعزز بالرنين ومجس CnIR-B-10 تم الحفاظ عليه عند نقطة ضبط انحراف تبلغ 2 V (حمل يبلغ 4 nN تقريبًا)، مع ليزر MIRcat QCL مفلتر بقدرة IR تصل إلى 17.85%. تم تغيير معدل تكرار نبضات QCL ليتوافق مع ترددات رنين التلامس المختلفة الملحوظة، مع ضبط عرض نطاق PLL عند ±30 kHz. (أ) مسح رنين التلامس الذي تم الحصول عليه من PMMA على ركيزة Si/SiO₂ مع ضبط الليزر على نطاق امتصاص الكربونيل لـ PMMA عند 1730 cm^-1. (ب) أطياف AFM–IR التي تم الحصول عليها باستخدام معدلات تكرار نبضات الليزر 177 kHz و1139 kHz. تمثل الأطياف متوسط خمس عمليات استحواذ متتالية جُمعت من نفس الموقع، وتم تطبيعها وفقًا لارتفاع ذروة الكربونيل عند 1730 cm^-1، وإزاحتها رأسيًا للتوضيح. (ج) عوامل Q النسبية المحسوبة من ذروات الرنين المقاسة. (د) نسب الإشارة إلى الضجيج (S:N) النسبية المحسوبة كنسبة شدة ذروة كربونيل PMMA إلى ضجيج الخط القاعدي لجذر متوسط المربعات. (هـ، و) خرائط كيميائية خام لـ AFM–IR تم الحصول عليها بمعدل مسح 0.8 Hz من مسح واحد بمساحة 15 µm x 15 µm عند 1730 cm^-1 بدقة بكسل 30 nm (500 × 500 بكسل) باستخدام معدلات تكرار نبضات الليزر (هـ) 177 kHz و(و) 1139 kHz. ولتسهيل المقارنة، تُعرض خرائط البيانات الخام في (هـ) و(و) باستخدام نفس المقياس اللوني. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في مجال أشباه الموصلات، يمكن استخدام مادة لدائن حرارية مثل بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) كعازل ومزجها مع بوليمرات شبه موصلة نشطة لضبط حركية الشحنة في الجهاز⁷⁷^,⁷⁸. كما تبرز فائدة PMMA كمقاوم موجب في الطباعة الحجرية بحزمة الإلكترونات أو الأشعة فوق البنفسجية⁷⁹. وفي كلا التطبيقين، يمكن استخدام تقنية AFM–IR للتأكد من توزيع البوليمر بعد المعالجة. في الشكل 6A، 6B، تم استخدام الطباعة الحجرية بحزمة الإلكترونات (EBL) لتشكيل معالم PMMA على رقاقة سيليكون مغطاة بطبقة أكسيد رقيقة (SiO₂). ويمكن ملاحظة الاختلافات الطيفية بين البوليمر (PMMA) وركيزة Si/SiO₂ في أطياف AFM–IR النقطية المختارة، والموسطة والممهدة الناتجة (الشكل 6A). ومن خلال ضبط ليزر الأشعة تحت الحمراء على أقصى امتصاص عند 1730 cm^-1 لرابطة الكربونيل (C=O) في PMMA، يمكن رسم خريطة لنمط البوليمر (الشكل 6B) لتقييم جودة المعالجة، بما في ذلك انتظام توزيع البوليمر ودقة نمط EBL.

يظهر مثال آخر على تقييم ميزات أشباه الموصلات المنقوشة باستخدام AFM–IR في الشكل 7A–7F. قدم متعاون صناعي رقاقات منقوشة بأغشية SiN مرسبة على نتوءات Si تتناوب مع خنادق SiO₂ (الشكل 7A). تم فحص الركيزة المنقوشة عند استلامها أولاً باستخدام AFM–IR للتأكد من الاتساق بين التنميط الطبوغرافي (الشكل 7B، 7C) والتنميط الكيميائي (الشكل 7D، 7E). أظهرت الأطياف النقطية التي تم الحصول عليها من داخل خنادق SiO₂ نمط التمدد المتماثل المميز لـ Si–O–Si عند 1120 cm^-1، بينما لم تظهر الأطياف المكتسبة من النتوءات المغطاة بـ SiN ذلك (الشكل 7D). وكشف المسح اللاحق لمنطقة منقوشة مع ضبط الليزر عند 1120 cm^-1 عن توزيع SiN/SiO₂ يتفق مع طبوغرافية الركيزة، كما يتضح من تراكب خريطة IR في الشكل 7E على صورة الطبوغرافية في الشكل 7C.

تعتبر هذه الركائز المنقوشة شرطاً أساسياً للترسيب الانتقائي للمساحة (ASD)، وهو بديل واعد لطرق النقش الضوئي التقليدية التي تتضمن خطوات متعددة من الترسيب والنقش. وبالمقارنة مع التصوير الضوئي التقليدي، يوفر الترسيب الانتقائي للمساحة استهلاكاً أقل للمواد، واستهلاكاً أقل للطاقة، وتحكماً أفضل في تسجيل الأنماط لبنيات الدوائر المتكاملة المعقدة⁴⁴. وفي هذه التجربة، تم ترسيب البوليبيرول (PPy) المترافق بشكل انتقائي على نتوءات SiN في الرقاقة المنقوشة. واستُخدم مجهر القوة الذرية المدمج بالأشعة تحت الحمراء (AFM–IR)، مع ضبط الليزر النبضي على وضع تمدد Si–O–Si عند 1120 cm^-1، لتحديد خنادق SiO₂ وتحديد PPy بشكل غير مباشر من خلال عدم امتصاصه عند ذلك العدد الموجي (الشكل 7F). وقد حدد AFM–IR كلاً من PPy المطلوب ترسيبه على نتوءات SiN ونوى PPy غير المرغوب فيها داخل خنادق SiO₂، مما أتاح حساب انتقائية الترسيب (S) بناءً على التغطية السطحية المساحية النسبية (θ) لأسطح النمو المطلوب (g) وأسطح عدم النمو (ng)⁴⁴:

figure-results-1 .

يوضح هذا المثال كيفية استخدام تقنية AFM–IR لتوصيف هياكل أشباه الموصلات المُنقوشة وتقييم نتائج انتقائية المواد أثناء مرحلة تطوير العمليات.

تتمثل إحدى التطبيقات الإضافية لتقنية AFM–IR في معالجة أشباه الموصلات في تحديد ملوثات بقايا المقاوم الضوئي. يمكن أن تؤدي بقايا المقاوم الضوئي المتبقية قبل ترسيب التلامس إلى تقليل جودة التلامس وزيادة مقاومة التلامس، مما قد يؤثر على أداء الجهاز وموثوقيته⁴⁵. في هذا المثال، تم فحص عينة بعد معالجتها لمدة 2 min باستخدام الأكسجين النشط بقدرة 100 W لإزالة الشوائب (descum)، بهدف إزالة بقايا المقاوم الضوئي بعد عملية الرفع (lift-off) عقب التحميض (الشكل 8A، 8B). وقد أتاح رسم خرائط AFM–IR عند اهتزاز الحلقة العطرية عند 1600 cm^-1 المرتبط بالمقاوم الضوئي تصور منطقة المقاوم الضوئي الرئيسية (PR؛ الشكل 8A، الموقع A) وتحديد مناطق معزولة من التلوث المتبقي ضمن منطقة التلامس (الشكل 8A، الموقع B). وفي المقابل، أظهرت المناطق الأبعد عن حدود المقاوم الضوئي إشارة AFM–IR دنيا (الشكل 8A، الموقع C).

تم تجميع أطياف نقاط الأشعة تحت الحمراء (IR) من منطقة مادة مقاومة الضوء (الموقع A) ومقارنتها بالأطياف المكتسبة من مناطق معزولة ذات كثافة أشعة تحت حمراء مرتفعة ضمن منطقة التلامس التي تمت إزالة الرواسب منها (الموقع B)، مما أكد وجود بقايا مادة مقاومة الضوء في تلك المواقع بناءً على التشابه الطيفي والمعرفة بتركيبة مادة مقاومة الضوء AZ nLOF 2020 التي تم الحصول عليها من أوراق بيانات الشركة المصنعة وبصماتها الطيفية المميزة المقابلة (الشكل 8B). وفي المقابل، لم تظهر الأطياف المكتسبة من الموقع C نطاقات الامتصاص المميزة المرتبطة بمادة مقاومة الضوء. تم إجراء متوسط مشترك للأطياف عبر خمس عمليات مسح طيفي، وعُرضت بدون معالجة طيفية أو تسوية، مع إزاحة الأطياف رأسياً من أجل الوضوح. يوضح هذا المثال فائدة تقنية AFM–IR كأداة غير مدمرة لتقييم نظافة الواجهة على مقياس النانو وتحديد المصدر المرجح للتلوث الكيميائي الموضعي من خلال الجمع بين المعرفة بالعملية والتحليل الطيفي لتقنية AFM–IR.

يظهر مثال إضافي يوضح تحسين أداء تقنية AFM–IR في الشكل 9A–9F. تعتمد تقنية AFM–IR في وضع التلامس المعزز بالرنين على اختيار تردد رنين تلامس مناسب، كما يمكن أن يؤثر اختيار معدل تكرار نبضات الليزر بشكل كبير على جودة الإشارة. كشف مسح ضبط النبضات الذي تم الحصول عليه من PMMA المنقوش على ركيزة Si/SiO₂ عن وجود رنينات تلامس متعددة يمكن الوصول إليها (الشكل 9A). وأظهرت أطياف AFM–IR التي تم الحصول عليها باستخدام ترددات رنين مختلفة اختلافات جوهرية في شدة الإشارة وجودة الطيف (الشكل 9B). وأثبت تحليل عوامل Q النسبية للرنينات المحددة (الشكل 9C) ونسب الإشارة إلى الضوضاء (S:N) المقابلة للأطياف المكتسبة (الشكل 9D) أن اختيار الرنين يؤثر بشكل مباشر على حساسية AFM–IR. وقد تم تحديد عوامل Q النسبية عن طريق قسمة سعة كل ذروة رنين على عرضها النسبي عديم الأبعاد. وتم تحقيق ذلك بضرب سعة الذروة في التردد المركزي والقسمة على العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM). كما تم تحديد نسبة S:N عن طريق حساب الفرق بين أعلى سعة ذروة في الطيف والقيمة المتوسطة لخط الأساس الخاص به (المقاسة عبر المنطقة 870–970 cm^-1)، ثم قسمة هذا الفرق على جذر متوسط مربع (RMS) انحراف منطقة خط الأساس عن قيمتها المتوسطة المصححة للميل (أي مستوى ضوضاء خط الأساس). وتتضح هذه الاختلافات بشكل أكبر في الخرائط الكيميائية لـ AFM–IR التي تم الحصول عليها عند 1730 cm^-1 باستخدام معدلات تكرار نبضات تبلغ 177 kHz و 1139 kHz (الشكل 9E, 9F)، حيث أدى شرط الرنين عالي الجودة إلى تحسين التباين الكيميائي وجودة الصورة. ويوضح هذا المثال أهمية تحسين الرنين أثناء قياسات AFM–IR ويوفر مقارنة ممثلة بين ظروف الاكتساب غير المثالية والمحسنة.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد اختيار المسبار المناسب لهندسة AFM–IR (أي الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل مقابل من الأسفل إلى الأعلى) ووضع التشغيل (على سبيل المثال، وضع النقر tapping-mode مقابل وضع التلامس contact-mode في AFM–IR) اعتباراً هاماً للحصول على بيانات مثالية وخالية من الشوائب. تشمل خصائص المسبار العامة التي يجب مراعاتها ثابت النابض الاسمي وتردد الرنين، واللذان يتناسبان عادةً معاً. وبوجه عام، يُفضل استخدام ترددات رنين أعلى، وبالتالي ثوابت نابض أكبر (أي كوابيل أكثر صلابة)، عند التشغيل بوضع النقر لأنها تقلل من احتمالية الالتصاق المفاجئ عند التلامس (snap-to-contact)، ويمكن أن تتيح معدلات أسرع في اكتساب البيانات وتحسيناً في نسب الإشارة إلى الضوضاء S:N. وهناك اعتبار إضافي يتمثل في وجود أو غياب طلاء معدني. ففي حالة الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل، تُستخدم طلاءات معدنية عالية الانعكاس لتقليل امتصاص الأشعة تحت الحمراء IR بواسطة مسبار AFM ولتوفير تعزيز للمجال القريب للمجال الكهربائي بشكل مستقل عن الطول الموجي من خلال "تأثير مانعة الصواعق" الذي يتوسطه رأس الطرف⁷^,¹⁴^,⁷⁷^,⁷⁸^,⁷⁹^,⁸⁰^,⁸¹. وتظهر طلاءات الذهب، على وجه الخصوص، استجابة طيفية مسطحة نسبياً عبر منطقة MIR (~2.5–15 µm)، مع انعكاسية عالية (>98%–99%) وتفاوت في الانعكاسية يقل عن 1% كدالة لاستقطاب الضوء الساقط. ويمكن للاعتبارات الأكثر تعقيداً، مثل اختيار ترددات رنين الكابيل لأوضاع التشغيل المختلفة، أن تؤثر بشكل كبير على كل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S:N) والدقة المكانية للبيانات المكتسبة. وبالنسبة لكابيل يتصرف كشعاع مرن مثالي، تتوقع حلول معادلات الوضع الطبيعي أن تردد الرنين الثاني يجب أن يحدث عند خمسة أضعاف تردد الرنين الأساسي تقريباً (f₂ = 5f₁). وبإحاطة هذه العلاقة في تعبير استجابة الكابيل المعروض في المقدمة لـ AFM–IR بوضع النقر المكتشف بالتردد غير المتجانس (heterodyne-detected)، يتوقع استجابة كابيل (Z) تتناسب مع 0.16Q₂ عند النقر بتردد f₁ وفك التشكيل عند f₂، مقارنة بـ 20Q₁ عند النقر بتردد f₂ وفك التشكيل عند f₁. لذلك، إذا أظهر الرنينان عوامل Q متقاربة (على الرغم من أن Q₁ غالباً ما يكون أكبر من Q₂)، فمن المتوقع أن يوفر النقر عند تردد الرنين الأعلى مع فك التشكيل عند تردد الرنين الأدنى حساسية أكبر بنحو 125 ضعفاً. ومع ذلك، في الممارسة العملية، قد لا يكون هذا التكوين ممكناً دائماً بسبب قيود أجهزة القياس. فعلى سبيل المثال، قد يتجاوز تردد الرنين الأعلى (f₂) نطاق تشغيل قطعة البيزو الخاصة بالاهتزاز في وضع النقر. ويمكن أن يحدث هذا في بعض أنظمة AFM عند استخدام المسبار TnIR-D-10 المستخدم في هذا العمل، حيث f₁ ≈ 250 kHz (الشكل 4F) وf₂ أقرب إلى ستة أضعاف f₁ بسبب عدم مثاليات الكابيل، مما يعطي f₂ ≈ 1.5 MHz (الشكل 4G)، بينما Q₁ ≈ 6Q₂. وفي المقابل، عند استخدام مسبار وضع نقر أكثر ليونة بتردد رنين اسمي (f₁) يبلغ ≈75 kHz مثل TnIR-A-10، فإن f₂ المقابلة (والتي يتوقع أن تكون تقريباً 375–450 kHz) تقع ضمن نطاق التشغيل المتاح لقطع بيزو الاهتزاز القياسية في AFM، مما يتيح تشغيل وضع النقر عند الرنين الأعلى. وباختصار، في ظل السلوك المرن المثالي وبافتراض عوامل Q متشابهة لجميع أوضاع الرنين والمسابير، يتوقع أن يوفر النقر عند f₂ مع فك التشكيل عند f₁ حساسية أكبر. ومع ذلك، في الممارسة العملية، يجب تحسين اختيار المسبار وتعيين وضع القيادة مقابل وضع الكشف بناءً على إمكانات الجهاز والتحديد التجريبي لترددات الرنين الفعلية وعوامل Q التي يتم الحصول عليها من منحنيات ضبط الكابيل المقاسة.

بينما يركز هذا البروتوكول على تقنية AFM–IR بنمط النقر المكتشفة بالتردد المتغاير، فعند التشغيل في نمط التلامس المعزز بالرنين في تقنية AFM–IR، اختر مسباراً ينحرف بسهولة أثناء التلامس مع سطح العينة؛ بعبارة أخرى، استخدم مسباراً ليناً بثابت نابض اسمي صغير (<1 N/m). يؤدي ذلك إلى تحسين حساسية الكشف ونسبة الإشارة إلى الضجيج (S:N) مع تقليل مخاطر تلف العينة أو تآكل المسبار الناتج عن تطبيق قوة تصوير مفرطة. سيعرض المسبار ترددات رنين تلامسية متعددة، والتي يجب تقييمها من خلال ضبط نبضي شامل (الشكل 9A). وبوجه عام، ستؤدي القمم ذات الترددات الأعلى إلى زيادة طفيفة في الدقة المكانية (بسبب انخفاض زمن الانتشار الحراري) ولكن على حساب نسبة S:N بسبب زيادة الصلابة النمطية (وبالتالي انخفاض حساسية الكشف)⁸. حدد قمم رنين التلامس الحادة والعالية التي تظهر كلاً من سعة كبيرة نسبياً (أي استجابة IR كبيرة) وعرضاً ضيقاً عند نصف القيمة القصوى (FWHM)، وهو ما يتوافق مع عامل جودة (Q factor) مرتفع (على سبيل المثال، رنينات 177 kHz و 1139 kHz الموضحة في الشكل 9C). يجب أن يرتبط عامل Q عموماً بنسبة S:N النسبية للأطياف المكتسبة باستخدام رنين تلامس معين (الشكل 9D). وتقديم مثال تمثيلي، تم تقييم رنيني تلامس لتوصيف AFM–IR لهياكل PMMA منقوشة باستخدام EBL ومترسبة على رقاقة سيليكون مطلية بالأكسيد. أظهرت الأطياف النقطية المكتسبة من نفس موقع PMMA باستخدام معدلات تكرار نبضات ليزر تبلغ 177 kHz و 1139 kHz، والتي تتوافق مع رنينات ذات Q مرتفع، نسبة S:N جيدة في كلتيهما (الشكل 9B). استُخدمت معدلات تكرار النبضات نفسها لاحقاً لإنشاء خرائط AFM–IR لميزة PMMA (الشكل 9E، 9F)، حيث أدى نمط Q الأعلى (177 kHz) إلى تباين أفضل في خرائط IR على الرغم من أن نسبة S:N للأطياف النقطية المكتسبة باستخدام رنين التلامس 1139 kHz كانت أفضل قليلاً (الشكل 9B، 9D)). وبوجه عام، عند اكتساب أطياف IR أو رسم خرائط لنمط اهتزازي نشط في IR، فإن اختيار معدل تكرار نبضات مرتبط بأعلى عامل Q عملي يزيد من الحساسية ويحسن تباين الصورة.

ربما تكون الخطوة الأكثر أهمية في بروتوكول AFM–IR هذا هي تحسين محاذاة وتركيز ليزر IR على طرف المسبار (الخطوة 4 من البروتوكول)، لأن ذلك يؤثر بشكل مباشر على الحساسية تجاه الاستجابة الضوئية الحرارية للعينة. ونظرًا لأن إشعاع IR غير مرئي للعين البشرية، فإن أنظمة AFM–IR تشتمل عادةً على ليزر محاذاة مرئي يكون على استقامة واحدة مع مسار شعاع IR (الشكل 3) لتسهيل المحاذاة الأولية الخشنة للشعاع. يجب أن يكون الليزر المرئي متمركزًا على الجزء الخلفي من عتلة المسبار مباشرة فوق طرف المسبار في المستوى XY، ويتم تركيزه عن طريق ضبط الموضع Z للبصريات المركزة بالنسبة لسطح العينة وطرف المسبار (الشكل 5A، 5B). ولتقليل الزيغ اللوني، تكون البصريات المركزة عادةً بصريات عاكسة، مثل عاكس مكافئ خارج المحور (OAP) مطلي بالذهب. وحتى بعد تحسين شعاع المحاذاة المرئي، يظل التحسين المباشر لشعاع IR ضروريًا لأن الاختلافات في توجيه الشعاع، والتوازي، وخصائص المصدر (مثل M²) قد تكون موجودة بين الشعاع المرئي وشعاع IR، وبين مصادر IR المختلفة. وكما هو موضح في الخطوة 4 من البروتوكول، بعد اختيار الميزة المطلوبة والرقم الموجي لـ IR المتوقع أن ينتج استجابة ضوئية حرارية قوية، قم بمسح شعاع IR بنظام راستر فوق منطقة تبلغ عدة مئات من الميكرومترات تحيط بموضع المحاذاة المرئي مع مراقبة الإشارة الضوئية الحرارية (الشكل 5C، 5D).

تتميز الاستجابة المثلى للأشعة تحت الحمراء (IR) عادةً بتوزيع إشارة مركزي ودائري تقريبًا يتوافق مع حجم بقعة الأشعة تحت الحمراء المركزة. بالنسبة للنظام المستخدم في هذه الدراسة، فإن قطر البقعة المركزة الظاهري، كما تم قياسه من الاستجابة الضوئية الحرارية التي تم الحصول عليها باستخدام وظيفة Focus Capture في البرنامج (الشكل 5D)، يتراوح عادةً بين 40–50 µm تقريبًا. ورغم صعوبة قياس حجم بقعة الشعاع الفعلي مباشرة عند الواجهة بين الطرف والعينة، فمن الممكن تقدير رتبة مقداره (والتي تعتمد على الطول الموجي) لتقييم نظام التدفق أو كثافة القدرة التقريبية، وتقدير احتمالية حدوث تسخين غير مرغوب فيه للعينة، أو تلفها، أو ظهور تأثيرات غير خطية. واستناداً إلى الطول البؤري البالغ 15 mm لبصرية تركيز الأشعة تحت الحمراء وعرض الشعاع الغاوسي الموازي الداخل البالغ ~5 mm المستخدم في هذا النظام، يُقدر حجم بقعة شعاع الأشعة تحت الحمراء المحدود بالحيود (قطر 1/e²) عند العينة بنحو 20–50 µm عبر النطاق 1000-2000 cm⁻¹ (λ = 5–10)، وذلك اعتماداً على الطول الموجي وجودة الشعاع الداخل (M² ≈ 1–1.3). ويتفق هذا التقدير مع حجم البقعة الظاهري البالغ 40–50 µm الذي لوحظ أثناء عمليات المسح النقطي لمحاذاة شعاع الأشعة تحت الحمراء. وتؤدي الأطوال الموجية الأطول (أرقام موجية أقل) وجودة الشعاع الأقل مثالية (M² > 1) إلى أحجام بقع أكبر. وبالمثل، يصعب قياس كثافة القدرة (أو التدفق، في حالة الليزر النبضي) مباشرة في نظامنا. ومع ذلك، وبافتراض أقصى خرج محدد لليزر وعدم وجود خسائر بصرية (بما في ذلك غياب مرشحات الكثافة المحايدة في مسار الشعاع)، يُقدر أقصى تدفق ممكن عند العينة بأقل من <1 J/cM² لجهاز Carmina OPO وأقل من <800 mJ/cM² لجهاز MIRcat QCL. بالنسبة لـ QCL، تبلغ أقصى كثافة قدرة حوالي 800 kW/cM² عند دورة تشغيل 50% وأقل من 100 kW/cM² عند قدرة 100% لدورات التشغيل التي تقل عن <5% المستخدمة في هذا العمل. وهذه القيم أقل بعدة رتب مقدارية من كثافات القدرة التي تصل إلى عشرات MW/cM² والتي يمكن تحقيقها في مجهر الفلورة البؤري القياسي. وبما أن جهاز Carmina OPO ينتج نبضات بمدد زمنية تبلغ حوالي 3 ps في وضع النطاق الضيق، فقد تكون التأثيرات غير الخطية المرتبطة بذروة التدفق أكثر أهمية من تأثيرات تبديد الحرارة الناتجة عن متوسط القدرة. وفي التجارب المعروضة هنا، تم تخفيف خرج الليزر إلى حوالي 10%–20% من قيمته القصوى، مع أحجام بقع ظاهرية في حدود 50 µm. وتحت هذه الظروف، قُدِّر التدفق بأقل من <10 mJ/cM²، ولم تُلاحظ أي تأثيرات تعتمد على قدرة الليزر.

عند استقصاء نظام مواد جديد أو لم يتم توصيفه مسبقاً، يُنصح أولاً بتحسين محاذاة الأشعة تحت الحمراء (IR) باستخدام مادة مرجعية ذات نطاق امتصاص قوي وموصوف جيداً للأشعة تحت الحمراء. وتشمل الأمثلة المناسبة الأغشية الرقيقة من PMMA أو PET، والتي يمكن ترسيبها بسهولة على ركائز مسطحة (مثل غطاء شريحة المجهر الزجاجي أو رقاقة السيليكون) وتظهر نطاقات امتصاص قوية لمجموعة الكربونيل (C=O) بالقرب من 1720–1730 cm^-1 (الشكل 5E). يساعد هذا النهج في التمييز بين المشكلات المتعلقة بالمحاذاة وبين ضعف امتصاص العينة، ويمكن أن يحسن قابلية التكرار عند نقل ظروف القياس بين العينات. وبالمثل، عند البدء في توصيف عينة جديدة، يُنصح بالبدء بقدرة ساقطة منخفضة (على سبيل المثال، <10%) وزيادة القدرة تدريجياً، مع مراقبة طيف الأشعة تحت الحمراء لرصد أي تغيرات تعتمد على القدرة تتجاوز مجرد تحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S:N) مع زيادة القدرة.

تتمثل إحدى القيود الرئيسية لتقنية AFM–IR في ضرورة أن تُظهر الأنواع الكيميائية المراد توصيفها أو تحديدها أنماط اهتزاز نشطة في الأشعة تحت الحمراء أو سمات امتصاص ضمن النطاق الطيفي المتاح لمصدر الأشعة تحت الحمراء. وبناءً على ذلك، يُنصح أولاً بالحصول على طيف أشعة تحت حمراء تقليدي للعينة (على سبيل المثال، باستخدام ATR FTIR) أو مراجعة الأطياف المنشورة للمواد المكونة المتوقعة للتحقق من وجود أنماط نشطة في الأشعة تحت الحمراء ضمن نطاق العدد الموجي المتاح. وفي حين أن هذه الاعتبارات لا تشكل مشكلة عمومًا لمعظم المواد العضوية، فإن العديد من المعادن والمركبات التي تحتوي على معادن، بما في ذلك ثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية (TMDCs)، تُظهر أنماط اهتزاز تحت حد القطع البالغ 670 cm⁻¹ تقريبًا (15 µm) لمعظم مصادر ليزر MIR المتاحة حاليًا. لذا، وكما ورد في المقدمة، فإن توسيع النطاق الطيفي المتاح لمصادر MIR القابلة للضبط لا يزال مجالاً نشطًا للبحث⁸^,²⁸^,⁵⁰. وفي هذه الأثناء، يمكن أن يؤدي أكسدة هذه المواد أو وظيفية سطحها إلى إدخال مجموعات وظيفية ذات أنماط اهتزاز ذات تردد أعلى تقع ضمن نطاق مصادر MIR الحالية. وهناك اعتبار إضافي وهو أن توليد إشارة AFM–IR وتحويلها يعتمدان على الاستجابة الكهروحرارية للمادة، وتحديدًا التسخين الموضعي الناتج عن امتصاص الأشعة تحت الحمراء وما يلي ذلك من استرخاء نمط الاهتزاز المثار أوليًا من خلال إعادة توزيع طاقة الاهتزاز إلى أنماط ذات تردد أقل (بمقياس زمن دون النانوسانية)، يليه تمدد حراري موضعي يتسبب في إزاحة طرف مسبار AFM وانحراف العارضة. وعادة ما تكون الزيادة في درجة الحرارة الموضعية أقل من 1–10 K، اعتمادًا على مصدر الإثارة (على سبيل المثال، QCL مقابل OPO)⁸، وتكون متناسبة مع معامل امتصاص الأشعة تحت الحمراء للعينة عند الطول الموجي الساقط⁶⁷. ويتم تحديد مقدار التمدد الحراري الناتج (عادةً <1 nm) بواسطة معامل التمدد الحراري للمادة، والذي يكون عمومًا في حدود 10⁻⁴–10^-6 K⁻¹ ويعمل كعامل تضخيم مستقل عن الطول الموجي، ولكنه يعتمد على نوع المادة⁸^,¹⁵. لذلك، فإن المواد ذات معاملات التمدد الحراري الأكبر تنتج عمومًا انحرافات أكبر في العارضة وبالتالي إشارات AFM–IR أقوى، مما يؤدي إلى تحسين حساسية القياس.

ختاماً، وبالإضافة إلى القيود المتعلقة بالنطاق الطيفي، يعتمد أداء AFM–IR بقوة على اختيار المسبار، ومحاذاة الليزر، وتحسين الرنين، والخصائص الحرارية والميكانيكية للعينة. يمكن أن تؤثر التباينات في صلابة العينة، والموصلية الحرارية، ومورفولوجيا السطح على شدة الإشارة وقابلية تكرار القياس، لا سيما أثناء التشغيل في وضع التلامس. كما قد تؤدي قدرة الليزر المفرطة إلى تسخين العينة أو تعديلها، خاصة في المواد البوليمرية الرخوة. علاوة على ذلك، يعد إزالة بخار الماء الجوي وثاني أكسيد الكربون من مسار الشعاع وغلاف الجهاز، إلى جانب مخرجات الليزر عالية الاستقرار، أمراً ضرورياً للتطبيع الصحيح لإشارة AFM–IR كدالة للطول الموجي. وهذا أمر مهم بشكل خاص للعينات ضعيفة الامتصاص⁸، مثل الأفلام الرقيقة المنتجة عن طريق ترسيب الطبقة الذرية (ALD) أو ترسيب الطبقة الجزيئية (MLD). ورغم هذه القيود، يوفر AFM–IR مزيجاً فريداً من الدقة المكانية النانوية، والخصوصية الكيميائية، والارتباط المباشر بتضاريس AFM، وهو ما يستحيل تحقيقه باستخدام المجهر التقليدي للأشعة تحت الحمراء (IR microscopy) وحده. وحتى بالنسبة للمواد الصعبة، فإن أكاسيد السطح، أو الهيدروكسيدات، أو المجموعات الوظيفية الأخرى الناتجة عن التعرض البيئي قد تقدم أنماطاً اهتزازية نشطة بالأشعة تحت الحمراء يمكن اكتشافها. وإذا كانت موجودة فقط أنماط اهتزازية منخفضة التردد تقع خارج نطاق الطول الموجي المتاح لمصدر (أو مصادر) ليزر MIR، فقد تكون التقنيات البديلة مثل TERS أكثر ملاءمة لأنها تستخدم أطوال موجية من الإثارة المرئية⁶²^,⁶³^,⁶⁴^,⁶⁵^,⁶⁶. وبالمثل، إذا كانت الاستجابة الكهروحرارية ضعيفة بسبب التمدد الحراري المحدود، فقد يكون المجهر الضوئي الماسح للمجال القريب من نوع تشتت الأشعة تحت الحمراء (IR s-SNOM) مفضلاً على AFM–IR الكهروحراري، وغالباً ما يمكن تنفيذه على منصات أجهزة مماثلة¹⁴^,⁵¹^,⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵^,⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹^,⁶⁰^,⁶¹^,⁸⁰. وكما أظهرت أمثلة أشباه الموصلات المعروضة هنا، يمكن لـ AFM–IR دعم دراسات تطوير العمليات، وتحليل التلوث، واستقصاءات الترسيب الانتقائي للمساحة، والتحقق من إزالة المقاوم الضوئي، وتوصيف المواد على المقياس النانوي، مما يجعله أداة قيمة لأبحاث أشباه الموصلات والتصنيع المتقدم.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين أي تعارض مصالح للإفصاح عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم الحصول على نظام Bruker Anasys nanoIR3-s AFM–IR المستخدم في هذا العمل بدعم من M. J. Murdock Charitable Trust (منحة رقم 202014907). يقع النظام في مختبر علوم السطح (SSL) بجامعة بويزي ستيت، وهو جزء من مرفق FaCT Core Facility، RRID: SCR 024733، ويتلقى الدعم من المعاهد الوطنية للصحة (NIH) بموجب برنامج جوائز التطوير المؤسسي (IDeA) التابع للمعهد الوطني للعلوم الطبية العامة من خلال المنحتين رقم P20GM148321 وP20GM103408، حيث تدعم المنحة الأولى جزئياً المؤلفين المشاركين C.M.E. وP.H.D. كما يتلقى N.O. الدعم من مركز المواد والأجهزة فائقة كفاءة الطاقة (SUPREME)، وهو برنامج تابع لمؤسسة أبحاث أشباه الموصلات (SRC) برعاية وكالة مشاريع أبحاث الدفاع المتقدمة (DARPA). وتستند هذه المادة إلى أبحاث برعاية مختبر أبحاث القوات الجوية (AFRL) بموجب الاتفاقية رقم FA8650-20-2-5506 لدعم AFRL. وتصرح الحكومة الأمريكية بإعادة إنتاج وتوزيع النسخ لأغراض حكومية بغض النظر عن أي ملاحظة تتعلق بحقوق الطبع والنشر الواردة فيها. إن الآراء والاستنتاجات الواردة هنا تخص المؤلفين ولا ينبغي تفسيرها على أنها تمثل بالضرورة السياسات أو التأييدات الرسمية، سواء كانت صريحة أو ضمنية، لـ AFRL أو NIH أو الحكومة الأمريكية.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
برمجيات التحكم في مجهر القوة الذرية (AFM)	Bruker	استوديو التحليل (Analysis Studio) الإصدار 3.17	التحكم في الجهاز، تصوير مجهر القوة الذرية، مجهر القوة الذرية–الحصول على الأشعة تحت الحمراء (IR) وتحليل البيانات.
برمجيات معالجة وتحليل صور مجهر القوة الذرية (AFM)	جيويديان (Gwyddion)	V2.69	معالجة وتحليل بيانات مجهر القوة الذرية (AFM).
مجهر القوة الذرية–مجس (مجسات) الأشعة تحت الحمراء، وضع التلامس	Bruker	PR-EX-CNIR-B-10	مجهر القوة الذرية (AFM) بنمط التلامس المعزز بالرنين–مجس الأشعة تحت الحمراء (IR probe)؛ ثابت النابض الاسمي (k) = 0.2 نيوتن/متر، تردد الرنين (f₀(f) = 13 kHz، نصف قطر السن (r) = 20 nm، وعتلة وسن مطليان بالذهب (Au).
مجهر القوة الذرية–مجس(ات) الأشعة تحت الحمراء، وضع النقر	Bruker	PR-EX-TNIR-D-10	مجهر القوة الذرية بنمط النقر (Tapping-mode AFM)–مسبار الأشعة تحت الحمراء (IR probe)؛ ثابت النابض الاسمي (k) = 40 نيوتن/متر، تردد الرنين (f)₀) = 300 كيلو هرتز، ونصف قطر الرأس (r) = 20 نانومتر. عارضة ومجس مكسوان بالذهب لمجهر القوة الذرية (AFM) ذي الإضاءة من الأعلى إلى الأسفل.–قياسات الأشعة تحت الحمراء (IR). مسبار بديل لوضع النقر: PR-EX-TNIR-A-10 (k = 3 N/m, f₀ = 75 كيلو هرتز، r = 20 نانومتر، وعتلة ورأس مكسوان بالذهب).
قرص عينة معدنية لـ AFM/STM	تيد بيلا (Ted Pella)	16208	متوفر بأحجام (أقطار) متعددة: المنتج رقم 16223 (قطر 6 مم)، و16207 (10 مم)، و16208 (12 مم)، و16218 (15 مم)، و16219 (20 مم).
مجهر القوة الذرية	Bruker (Anasys)	nanoIR3-s	مجهر القوة الذرية (AFM)–نظام الأشعة تحت الحمراء (IR) المستخدم في تصوير التضاريس، والمطيافية، والرسم الخرائطي الكيميائي. يتضمن برنامج Analysis Studio ومضخم القفل (lock-in amplifier) من طراز Zurich Instruments MFLI.
مصدر المذبذب البارامتري الضوئي (OPO) واسع النطاق	بروتين مادة الارتباط بالرنا (APE)	مصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) واسع النطاق والقابل للضبط من Carmina	مصدر واسع النطاق للأشعة تحت الحمراء المتوسطة مع إمكانية ضبط الطول الموجي بدءاً من 2.15–15 μم (~670–4650 سم^-1) وعرض نطاق يبلغ ~20 سم^-1 أو حوالي 170 سم^-1 يعتمد العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) على ما إذا كان التشغيل في وضع النطاق الضيق (بيكو ثانية) أو وضع النطاق العريض (فيمتو ثانية). يدعم مجهر القوة الذرية (AFM)–تشغيل الأشعة تحت الحمراء (النبضية) ومجهر المسح النفقي الضوئي المعتمد على الأشعة تحت الحمراء (شبه مستمر). المخرجات عبارة عن نمط كهرومغناطيسي مستعرض (TEM) مستقطب خطياً.₀₀ الوضع. يُشغل مع تبريد خارجي بالمياه عند 22 درجة مئوية تقريبًا. °ج.
سائل تبريد المبرد/مثبط التآكل	Innovatek	تركيز حماية IP	سائل تبريد للمبردات قائم على الإيثيلين جليكول ومثبط للتآكل، مصمم للخلط بنسبة 1:3 مع الماء المقطر.
هواء جاف مضغوط	Beacon Medaes	SPR30T	غاز تطهير بديل عندما يكون النيتروجين (N2) عالي النقاوة للغاية (99.999%)₂ غير متوفر. يوفر نظام ضاغط هواء خالي من الزيت + مجفف داخلي الإمدادات للمختبرات في جميع أنحاء المبنى.
لاصق سيانوأكريليت (الغراء السريع)	الغوريلا	7500101	مادة لاصقة اختيارية غير موصلة لتثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. غراء فائق (Superglue) مزود بفرشاة وفوهة لتسهيل عملية التطبيق عند تثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. يمكن استخدام أي غراء فائق يعتمد على السيانوأكريليت تقريباً كبديل.
ماء مقطر	ألبرتسونز	لايف بيور (Pure Life)	تُستخدم لتحضير خلائط سائل التبريد للمبرد الخاص بالليزر. يتم شراؤها من متاجر البقالة المحلية، ولكنها متوفرة أيضاً من موردي المستلزمات العلمية والكيميائية.
شريط كربوني مزدوج الوجه	Fisher Scientific	50-285-81	تُستخدم للتثبيت الموصل المؤقت/سهل الإزالة للعينات على أقراص العينات المغناطيسية. أقل موصلية قليلاً/ذات مقاومة ورقية أعلى (50 Ω/في²بدلاً من معجون الفضة. ويمكن أيضاً استخدام ألسنة لاصقة من شريط الكربون ثنائي الوجه. يمكن العثور على جدول مقارنة مفيد على الرابط: https://www.tedpella.com/adhesive_html/conductive-tapes-comparison.aspx.
نظام الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية (EBL)	FEI	Teneo Nabity NPGS	تُستخدم لتشكيل نمط البوليمر (PMMA) لعينة تمثيلية لمعالجة مقاوم الضوء للبوليمرات أشباه الموصلات.
لاصق الإيبوكسي	Loctite	EA E-60HP (237112)	لاصق اختياري غير موصل (عازل) لتثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. خلاط محقنة مزدوج الخراطيش لسهولة التطبيق وضمان النسبة الصحيحة من الراتنج وعامل المعالجة. يمكن استخدام أي مادة إيبوكسي مكونة من جزأين تقريباً، ويمكن استبدالها بناءً على أي اعتبارات إضافية لتوصيف العينة (على سبيل المثال: درجة حرارة التشغيل، وانبعاث الغازات في الفراغ، وما إلى ذلك).
طلاء أظافر اليدين	سالي هانسن (Sally Hansen)	طلاء أظافر Teflon Tuff لمدة 10 أيام	لاصق مؤقت اختياري لتثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. يمكن أيضاً استخدام طلاء الأظافر الشفاف LA Colors Base Coat/Top Coat، علماً بأن أي طلاء أظافر متاح في الصيدليات المحلية سيفي بالغرض.
كحول الإيزوبروبيل (IPA)	Fisher Scientific	A451-4	يُستخدم بتركيز 10% (حجم/حجم) في الماء المقطر كمبرد لمبرد الليزر الكمي ذو التجاويف (QCL) لمنع نمو الطحالب.
نظارات السلامة من الليزر	Thorlabs	LG11(A)	نظارات سلامة ليزر الأشعة تحت الحمراء من زجاج Schott، طراز LG11 أو LG11A.
مضخم القفل (Lock-in amplifier)	Zurich Instruments	مؤشر تدفق السوائل في العضلات (MFLI)	إزالة التضمين والكشف عن الإشارة لمجهر القوة الذرية (AFM)–قياسات الأشعة تحت الحمراء.
إمداد غاز النيتروجين	نوركو (Norco)	SPG TUHPNI	غاز تطهير للأجهزة عالي النقاء للغاية (99.999%)، يُستخدم لإزالة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون من المسار البصري.
أداة إزالة الشوائب بالأكسجين	غلين	جهاز تنظيف البلازما 1000P	تُستخدم في تجارب نموذجية لتصنيع أجهزة معالجة رقاقات أشباه الموصلات.
مقاوم ضوئي	Merck	مقاوم ضوئي AZ nLOF 2020 + مُظهر AZ 726	مقاوم الضوء والمظهر المستخدمان في تصنيع عينة نموذجية لجهاز معالجة رقاقة أشباه الموصلات.
عينة المقاوم الضوئي	صناعة منزلية (جامعة كورنيل)	نظرًا لعدم توفر نص مصدر للترجمة، يرجى تزويدنا بالنص العلمي أو التعليمي المراد ترجمته من الإنجليزية إلى العربية، وسنقوم بتنفيذه وفقًا للمعايير المهنية والأكاديمية المحددة.	تَمَّ تحضير عينة نموذجية لتصنيع جهاز معالجة رقائق أشباه الموصلات باستخدام AZ nLOF 2020/AZ 726 فوق طبقة من GaN المنماة بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD).₂أو₃ غشاء على ركيزة (010) مُطعمة بالحديد (Fe) واستُخدم في مجهر القوة الذرية (AFM)–التوصيف بالأشعة تحت الحمراء.
بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)	كياكو للمواد المتقدمة (Kayaku Advanced Materials)	495 بولي ميثيل ميثاكريلات A6	تُستخدم لتصنيع عينة بوليمرية تمثيلية للنمذجة باستخدام الكتابة المباشرة بالحزمة الإلكترونية (EBL) وفحص مجهر القوة الذرية (AFM) اللاحق.–التوصيف بالأشعة تحت الحمراء.
عينة من بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)	مُعدّ منزلياً (جامعة بويزي ستيت)	نظرًا لعدم توفر نص مصدر، يرجى تزويدنا بالمحتوى المراد ترجمته من الإنجليزية إلى العربية لنتمكن من تقديم الترجمة العلمية المتخصصة وفقًا للمعايير المطلوبة.	عينة بوليمر نموذجية تم تحضيرها باستخدام 495 PMMA A6، وتشكيلها عبر تقنية EBL، واستخدامها في AFM–توصيف بالأشعة تحت الحمراء.
بولي إيثيلين تيريفثالات (PET)	مُصنَّع محلياً (جامعة بويزي ستيت)	لا ينطبق	عينة محاذاة نشطة بالأشعة تحت الحمراء تُستخدم لمحاذاة الليزر وتحسينه. يمكن تصنيعها عن طريق صب PET أو PMMA أو أي بوليمر آخر يحتوي على الكربونيل بطريقة التدوير أو التقطير على غطاء شريحة زجاجي، أو رقاقة سيليكون، أو أي ركيزة أخرى مسطحة بشكل مناسب وعالية الانعكاس ويفضل أن تكون كذلك.
عينة بولي بيرول (PPy)	مُعدّ منزلياً (جامعة ولاية كارولاينا الشمالية)	نظرًا لعدم توفر نص مصدر، يرجى تزويدي بالمحتوى الذي ترغب في ترجمته. سأقوم بترجمته بدقة علمية وبأسلوب أكاديمي رصين يتناسب مع معايير JoVE الموجهة للباحثين والأطباء والطلاب الجامعيين.	عينة نموذجية للترسيب الانتقائي للمناطق المنقوشة (ASD) المستخدمة في مجهر القوة الذرية (AFM)–التوصيف باستخدام الأشعة تحت الحمراء.
ليزر الشلال الكمومي (QCL)	حلول ضوء النهار (Daylight Solutions)	ليزر MIRcat القابل للضبط على نطاق واسع جداً في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة	مصدر الأشعة تحت الحمراء المتوسطة القابل للضبط بأربع رقائق مثبتة تغطي 2635–3000 سم^-1, 1425–١٨٣٥ سم^-1, 955–١٤٢٥ سم^-1، و 755–١٠٠٥ سم^-1مستقطبة خطياً (>مجهر إلكتروني نافذ (TEM) بنسبة تباين 100:1₀₀ وضع المخرجات بعرض نطاق ترددي قدره &أقل من 1 سم^-1تُشغَّل بنظام تبريد خارجي بالمياه عند درجة حرارة 21 تقريبًا. °ج.
حامل العينة / ظرف التثبيت	Bruker	نظرًا لعدم توفر نص مصدر، يرجى تقديم النص الإنجليزي المراد ترجمته لكي أتمكن من تحويله إلى اللغة العربية وفقًا للمعايير العلمية والأكاديمية المحددة.	تثبيت العينة أثناء مجهر القوة الذرية (AFM)–قياسات الأشعة تحت الحمراء.
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)	FEI	Verios 460L	تُستخدم للتوصيف التكميلي، إذا كان ذلك متاحاً.
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)	Hitachi	SU8700	تُستخدم للتوصيف التكميلي، إذا كان ذلك متاحاً.
ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)₂رقاقة سيليكون مطلية بطبقة شاملة	Micron Technology	لا ينطبق	ركيزة رقاقة سيليكون ممثلة مطلية بالأكسيد تُستخدم لتصنيع عينة PMMA من أجل مجهر القوة الذرية (AFM)–قياسات الأشعة تحت الحمراء. رقاقة سيليكون غير مشوبة مع أكسيد حراري بسمك 100 نانومتر.
رقاقة سيليكون منقوشة من نيتريد السيليكون / ثاني أكسيد السيليكون	شركة طوكيو إلكترون المحدودة (TEL)	لم يتم توفير نص للمراجعة أو الترجمة. يرجى تزويدي بالنص الإنجليزي الذي ترغب في ترجمته إلى العربية.	عينة ممثلة لرقاقة أشباه موصلات منقوشة مستخدمة في مجهر القوة الذرية (AFM)–التوصيف بالأشعة تحت الحمراء.
معجون الفضة	تيد بيلا	16062	لاصق موصل سريع الجفاف لتثبيت العينات على أقراص العينات المغناطيسية. وتشمل البدائل لطلاء Pelco الفضي الموصل (المنتج رقم 16062) المنتج رقم 16031 (طلاء Pelco الفضي السائل الموصل القائم على الفضة الغروية). يمكن العثور على جدول مقارنة مفيد على الرابط https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx.
برمجيات معالجة وعرض الأطياف	OriginLab	Origin 10.0.5.157	معالجة ورسم الأطياف بالأشعة تحت الحمراء.
ملقط	Sigma-Aldrich	ملقط تيتانيوم	التعامل مع المسبار والعينة.
طاولة بصرية عازلة للاهتزازات	نيوبورت	Integrity 2 VCS	طاولة بصرية تُستخدم لتقليل الاهتزازات الميكانيكية أثناء مجهر القوة الذرية (AFM)–قياسات الأشعة تحت الحمراء.
مبرد مياه	ThermoTek	T257P-20	مبرد تدويري يستخدم لتبريد مصادر ليزر الأشعة تحت الحمراء. يجب أن يتبع سائل التبريد وظروف التشغيل توصيات الشركة المصنعة.

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Eaton P, West P. Atomic Force Microscopy. Oxford University Press; Oxford; 2010.
Voigtländer B. Atomic Force Microscopy. 2nd ed. Springer; Cham; 2019.
Sarid D. Scanning Force Microscopy: With Applications to Electric, Magnetic and Atomic Forces. Oxford University Press; Oxford; 1994.
De Wolf P, Brazel E, Erickson A. Electrical characterization of semiconductor materials and devices using scanning probe microscopy. Mater Sci Semicond Process. 2001;4(1-3):71-76.
Orji NG, Dixson RG. Metrology and diagnostic techniques for nanoelectronics. In: Metrology and Diagnostic Techniques for Nanoelectronics. Pan Stanford; 2017.
Dazzi A, et al. AFM-IR: combining atomic force microscopy and infrared spectroscopy for nanoscale chemical characterization. Appl Spectrosc. 2012;66(12):1365-1384.
Dazzi A, Prater CB. AFM-IR: Technology and applications in nanoscale infrared spectroscopy and chemical imaging. Chem Rev. 2017;117(7):5146-5173.
Schwartz JJ, Jakob DS, Centrone A. A guide to nanoscale IR spectroscopy: resonance enhanced transduction in contact and tapping mode AFM-IR. Chem Soc Rev. 2022;51(13):5248-5267.
Dazzi A, Prazeres R, Glotin F, Ortega JM. Local infrared microspectroscopy with subwavelength spatial resolution with an atomic force microscope tip used as a photothermal sensor. Opt Lett. 2005;30(18):2388-2390.
Hill GA, et al. Submicrometer infrared surface imaging using a scanning-probe microscope and an optical parametric oscillator laser. Opt Lett. 2009;34(4):431-433.
Lu F, Belkin MA. Infrared absorption nano-spectroscopy using sample photoexpansion induced by tunable quantum cascade lasers. Opt Express. 2011;19(21):19942-19947.
Felts JR, et al. Nanometer-scale infrared spectroscopy of heterogeneous polymer nanostructures fabricated by tip-based nanofabrication. ACS Nano. 2012;6(9):8015-8021.
Marcott C, et al. Nanoscale IR spectroscopy: AFM-IR—a new technique. Spectroscopy. 2012;27(2):60-65.
Centrone A. Infrared imaging and spectroscopy beyond the diffraction limit. Annu Rev Anal Chem. 2015;8:101-126.
Kurouski D, Dazzi A, Zenobi R, Centrone A. Infrared and Raman chemical imaging and spectroscopy at the nanoscale. Chem Soc Rev. 2020;49(11):3315-3347.
Mathurin J, et al. Photothermal AFM-IR spectroscopy and imaging: Status, challenges, and trends. J Appl Phys. 2022;131(1).
Bruker Corporation. Application Note #151: 2D Materials Characterization Using Nanoscale FTIR Spectroscopy and Near-field Imaging. Bruker Corporation; 2019.
Phillips C, et al. Application Note #209: Photothermal AFM-IR for Semiconductor Materials and Devices. Bruker Corporation; 2025.
Kjoller K, et al. High-sensitivity nanometer-scale infrared spectroscopy using a contact mode microcantilever with an internal resonator paddle. Nanotechnology. 2010;21(18):185705.
Prater C, et al. Nanoscale infrared spectroscopy of materials by atomic force microscopy. Microsc Anal. 2010;138(5).
Lu F, Jin MZ, Belkin MA. Tip-enhanced infrared nanospectroscopy via molecular expansion force detection. Nat Photonics. 2014;8(4):307-312.
Hammiche A, et al. Photothermal FT-IR spectroscopy: A step towards FT-IR microscopy at a resolution better than the diffraction limit. Appl Spectrosc. 1999;53(7):810-815.
Anderson MS. Infrared spectroscopy with an atomic force microscope. Appl Spectrosc. 2000;54(3):349-352.
Bozec L, et al. Localized photothermal infrared spectroscopy using a proximal probe. J Appl Phys. 2001;90(10):5159-5165.
Tuteja M, Kang M, Leal C, Centrone A. Nanoscale partitioning of paclitaxel in hybrid lipid-polymer membranes. Analyst. 2018;143(16):3808-3813.
Mathurin J, et al. How to unravel the chemical structure and component localization of individual drug-loaded polymeric nanoparticles by using tapping AFM-IR. Analyst. 2018;143(24):5940-5949.
Reading M, et al. Thermally assisted nanosampling and analysis using micro-IR spectroscopy and other analytical methods. Vibr Spectrosc. 2002;29(1-2):257-260.
Katzenmeyer AM, Aksyuk V, Centrone A. Nanoscale infrared spectroscopy: improving the spectral range of the photothermal induced resonance technique. Anal Chem. 2013;85(4):1972-1979.
Hammiche A, et al. Progress in near-field photothermal infra-red microspectroscopy. J Microsc. 2004;213(2):129-134.
Dazzi A, Prazeres R, Glotin F, Ortega JM. Analysis of nano-chemical mapping performed by an AFM-based ("AFMIR") acousto-optic technique. Ultramicroscopy. 2007;107(12):1194-1200.
Lahiri B, Holland G, Centrone A. Chemical imaging beyond the diffraction limit: experimental validation of the PTIR technique. Small. 2013;9(3):439-445.
Dazzi A. Infrared nanospectroscopy. In: Biomedical Vibrational Spectroscopy. Wiley; 2008:291-313.
Custovic I, et al. Infrared nanospectroscopic imaging of DNA molecules on mica surface. Sci Rep. 2022;12(1):18972.
Van de Driessche AC, et al. AFM-IR for nanoscale chemical characterization in life sciences: Recent developments and future directions. ACS Meas Sci Au. 2023;3(5):301-314.
Rizevsky S, et al. Characterization of substrates and surface-enhancement in atomic force microscopy infrared analysis of amyloid aggregates. J Phys Chem C. 2022;126(8):4157-4162.
Ruggeri FS, et al. Single molecule secondary structure determination of proteins through infrared absorption nanospectroscopy. Nat Commun. 2020;11(1):2945.
Wieland K, et al. Nanoscale chemical imaging of individual chemotherapeutic cytarabine-loaded liposomal nanocarriers. Nano Res. 2019;12(1):197-203.
Morsch S, Lyon S, Edmondson S, Gibbon S. Reflectance in AFM-IR: Implications for interpretation and remote analysis of the buried interface. Anal Chem. 2020;92(12):8117-8124.
Wang L, et al. Generalized heterodyne configurations for photoinduced force microscopy. Anal Chem. 2019;91(20):13251-13259.
Bartlam C, et al. Nanoscale infrared identification and mapping of chemical functional groups on graphene. Carbon. 2018;139:317-324.
Hamadeh A, et al. Toward conformational identification of molecules in 2D and 3D self-assemblies on surfaces. Commun Chem. 2023;6(1):246.
Liu ZL, et al. Direct observation of oxygen configuration on individual graphene oxide sheets. Carbon. 2018;127:141-148.
Rosenberger MR, et al. Measuring individual carbon nanotubes and single graphene sheets using atomic force microscope infrared spectroscopy. Nanotechnology. 2017;28(35):355707.
Thelven JM, et al. "Three-Color" chemical selectivity between oxide, nitride, and silicon: Area-selective deposition of metal oxide and polymer on SiN and Si-H versus SiO2. Adv Mater Technol. 2025;10(23).
Pieczulewski N, et al. Achieving 0.05 Ω-mm contact resistance in non-alloyed Ti/Au ohmics to β-Ga2O3 by removing surface carbon. APL Mater. 2025;13(6):061122.
Lo MKF, et al. Nanoscale chemical-mechanical characterization of nanoelectronic low-dielectric/Cu interconnects. ECS J Solid State Sci Technol. 2016;5(4):P3018-P3024.
Luo W, et al. Nonlinear nano-imaging of interlayer coupling in 2D graphene-semiconductor heterostructures. Small. 2024;20(24):e2307345.
Smith KA, et al. Infrared nano-spectroscopy of ferroelastic domain walls in hybrid improper ferroelectric Ca3Ti2O7. Nat Commun. 2019;10(1):5235.
Wilcken R, et al. Correlated nanoimaging of structure and dynamics of cation-polaron coupling in hybrid perovskites. Sci Adv. 2025;11(9):eads3706.
Katzenmeyer AM, Holland G, Kjoller K, Centrone A. Absorption spectroscopy and imaging from the visible through mid-infrared with 20 nm resolution. Anal Chem. 2015;87(6):3154-3159.
Zenhausern F, O'Boyle MP, Wickramasinghe HK. Apertureless near-field optical microscope. Appl Phys Lett. 1994;65(13):1623-1625.
Piednoir A, Creuzet F, Licoppe C, Ortega JM. Locally resolved infrared spectroscopy. Ultramicroscopy. 1995;57(2):282-286.
Cricenti A, et al. Free-electron-laser near-field nanospectroscopy. Appl Phys Lett. 1998;73(2):151-153.
Hillenbrand R, Taubner T, Keilmann F. Phonon-enhanced light-matter interaction at the nanometre scale. Nature. 2002;418(6894):159-162.
Brehm M, Taubner T, Hillenbrand R, Keilmann F. Infrared spectroscopic mapping of single nanoparticles and viruses at nanoscale resolution. Nano Lett. 2006;6(7):1307-1310.
Huber AJ, et al. Simultaneous IR material recognition and conductivity mapping by nanoscale near-field microscopy. Adv Mater. 2007;19(17):2209-2212.
Amarie S, Ganz T, Keilmann F. Mid-infrared near-field spectroscopy. Opt Express. 2009;17(24):21794-21801.
Huth F, et al. Infrared-spectroscopic nanoimaging with a thermal source. Nat Mater. 2011;10(5):352-356.
Govyadinov AA, et al. Quantitative measurement of local infrared absorption and dielectric function with tip-enhanced near-field microscopy. J Phys Chem Lett. 2013;4(9):1526-1531.
Muller EA, Pollard B, Raschke MB. Infrared chemical nano-imaging: Accessing structure, coupling, and dynamics on molecular length scales. J Phys Chem Lett. 2015;6(7):1275-1284.
Mastel S, et al. Nanoscale-resolved chemical identification of thin organic films using infrared near-field spectroscopy and standard Fourier transform infrared references. Appl Phys Lett. 2015;106(2).
Anderson MS. Locally enhanced Raman spectroscopy with an atomic force microscope. Appl Phys Lett. 2000;76(21):3130-3132.
Hayazawa N, Inouye Y, Sekkat Z, Kawata S. Metallized tip amplification of near-field Raman scattering. Opt Commun. 2000;183(1):333-336.
Stöckle RM, Suh YD, Deckert V, Zenobi R. Nanoscale chemical analysis by tip-enhanced Raman spectroscopy. Chem Phys Lett. 2000;318(1):131-136.
Pettinger B, Schambach P, Villagómez CJ, Scott N. Tip-enhanced Raman spectroscopy: Near-fields acting on a few molecules. Annu Rev Phys Chem. 2012;63:379-399.
Sonntag MD, et al. Recent advances in tip-enhanced Raman spectroscopy. J Phys Chem Lett. 2014;5(18):3125-3130.
Dazzi A, Glotin F, Carminati R. Theory of infrared nanospectroscopy by photothermal induced resonance. J Appl Phys. 2010;107(12).
Cho H, et al. Improved atomic force microscope infrared spectroscopy for rapid nanometer-scale chemical identification. Nanotechnology. 2013;24(44):444007.
Kenkel S, Mittal S, Bhargava R. Closed-loop atomic force microscopy-infrared spectroscopic imaging for nanoscale molecular characterization. Nat Commun. 2020;11(1):3225.
Verbiest GJ, Rost MJ. Beating beats mixing in heterodyne detection schemes. Nat Commun. 2015;6(1):6444.
Ma X, et al. Revealing the distribution of metal carboxylates in oil paint from the micro- to nanoscale. Angew Chem Int Ed. 2019;58(34):11652-11656.
Mathurin J, Deniset-Besseau A, Dazzi A. Advanced infrared nanospectroscopy using photothermal induced resonance technique, AFMIR: New approach using tapping mode. Acta Phys Pol A. 2020;137(1):29-32.
Ramer G, Aksyuk VA, Centrone A. Quantitative chemical analysis at the nanoscale using the photothermal induced resonance technique. Anal Chem. 2017;89(24):13524-13531.
Gong L, et al. Polymorphic distribution in individual electrospun poly[(R)-3-hydroxybutyrate-co-(R)-3-hydroxyhexanoate] (PHBHx) nanofibers. Macromolecules. 2017;50(14):5510-5517.
Hinrichs K, Shaykhutdinov T. Polarization-dependent atomic force microscopy-infrared spectroscopy (AFM-IR): Infrared nanopolarimetric analysis of structure and anisotropy of thin films and surfaces. Appl Spectrosc. 2018;72(6):817-832.
Wang Z, et al. Molecular orientation in individual electrospun nanofibers studied by polarized AFM-IR. Macromolecules. 2019;52(24):9639-9645.
Gersten J, Nitzan A. Electromagnetic theory of enhanced Raman scattering by molecules adsorbed on rough surfaces. J Chem Phys. 1980;73(7):3023-3037.
Kelly KL, Coronado E, Zhao LL, Schatz GC. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J Phys Chem B. 2003;107(3):668-677.
Hao E, Schatz GC. Electromagnetic fields around silver nanoparticles and dimers. J Chem Phys. 2004;120(1):357-366.
Willets KA, Van Duyne RP. Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing. Annu Rev Phys Chem. 2007;58:267-297.
Urbieta M, et al. Atomic-scale lightning rod effect in plasmonic picocavities: A classical view to a quantum effect. ACS Nano. 2018;12(1):585-595.
Wallace WE. Infrared spectra. In: Lindstrom PJ, Mallard WG, eds. NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology. Available at: https://doi.org/10.18434/T4D303.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

AFM IR AFM IR AFM

تنفيذ مطيافية الأشعة تحت الحمراء المعتمدة على مجهر القوة الذرية الضوئي الحراري بنمط النقر مع كشف الهتيروداين للمواد والأجهزة أشباه الموصلات

في هذه المقالة

ملخص

الملخص

المقدمة

البروتوكول

النتائج

المناقشة

الإفصاحات

شكر وتقدير

المواد

المراجع

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

مقالات ذات صلة