Synchrotron אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (SIRS) התפתחה ככלי רב עוצמה לפרוב את המבנה הכימי של חומרים הנדסיים ב nanoscale. על ידי שילוב של טווח ספקטרלי רחב ובהירות של קרינה סינכרון עם מיקרוסקופים אינפרא אדום מתקדם, טכניקה זו מספקת נתונים כימיים חסומים מרחביים, אשר אינו ניתן להשיג עם סטנדרטים סטנדרטיים של ארבעה-טרנסרא אדום (FT) ניתוח סימטרי בשכבה של מבנים מתקדמים, כמו אפקטים אלקטרו-קולאריים, כגון אפקטים אלקטרו-ליקטיים, כגון פונקציות אלקטרו-ליקטיים, כגון אפקטים כימיים הנדסתיים, כגון אפקטים אלקטרו-סיבית, כגון אפקטים אלקטרו-סיבית, כגון פונקציות אלקטרו-סיבית, כגון אפקטים אלקטרו-סיבית, כגון פונקציות אלקטרו-סיבית, 000-סיבית, 000-סיבית, 000 ⁇ טיים, 000-איים סטנדרטיים, 000 ⁇ ⁇ טיים, 000-סיבית, 000-רפואיים, 000-רפואיים סטנדרטית, 000-סיבית, 000, 000-רפואיים סטנדרטית חומרים אלקטרו-חומרים סטנדרטית, 000-איים סטנדרטית, 000-ידי שימושיתיים סטנדרטית, 000-איים סטנדרטית חומרים אלקטרו-איטי-רפו

עקרונות של Synchrotron Infrared Spectroscopy

קרינה סינכרון כמקור לא ידוע

קרינה סינכרון מיוצרת כאשר אלקטרונים, מואצת במהירות קלה בטבעת אחסון, נאלצים לשנות כיוון על ידי כיפוף מגנטים או מכשירים (מצטברים, מתפתלים) את אורם המתקבל מקרינת X ועד המדידות הרחוקות, עם שפע שהוא בדרך כלל 100 עד 1,000 פעמים גבוה יותר מאשר מקור תרמי (Gbar) באמצע קרינת ה-Rred-Ricreamcreca-in-diance הוא בדרך כלל גבוה יותר מטמפרטורה נמוכה ו-Ricrenatro-Ricreca-Ricreca-R.

FTIR Spectrometer יחד עם מיקרוסקופ לא מוכר

רוב המכשירים SIRS מורכבים מ- Fourier-transform אינפרא אדום ספקטרום המחובר למיקרוסקופ אינפרא אדום.המיקרוסקופ מתמקדת בקרן הסינכרון של beam על הדגימה, בדרך כלל באמצעות מטרות רפלקטיביות (Cassegrain אופטיקה) שאינן סובלות מדלקת ריאות chromatic.acroized שלב דגימות אינפרא אדום מאפשר סריקה, וגלא גלאי רגיש (לעתים קרובות צום כספית אומר, MCT), מסד נתונים בעל אותות מתכתיים או אותות מתכתיים) הוא בעל אותות מתכתיים.

איורים מרכזיים של Merit

הגבלת ההיקף לאור באמצע-הנאה היא על סדר של 3-10 מיקרומטר, אך מיקרו-ספקטרום מבוסס סינכרון של מיקרו-ספקטרום גישות באופן שגרתי למגבלות התיאורטיות הללו, השגת החלטות מרחביות מתחת ל-5 מיקרומטר. טכניקות מתקדמות יותר ליד שדה, כגון סינכרן ננוסקופיה אינפרא אדום (SI) באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, יש לדחוף את ההחלטה לעשרות של אותות ננומטר.

מדוע מובנים ננו שכבתיים נדרשים לבצע ניתוח מתקדם

אדריכלות מורכבת

מכשירים מודרניים כוללים לעתים קרובות עשרות או מאות שכבות משנה, כל אחד רק כמה ננומטרים עבה. ב 3-V Semiconductor hetero מבנים, למשל, מחסנים קוונטיים, ו-buffer שכבות חייב להיות גדל עם דיוק אטומי. בדומה, ציפויים קשים עבור חיתוך כלים עשויים להכיל TiN / AlN רב-TN, בעוד אלקטרודות סוללה להסתמך על חומר פעיל, שכבות אלקטרוכימיות, ויציבות אלקטרונית, ויציבות אלקטרונית, כל אחד, וממשקים באופן ישיר.

איכות ממשק וInterdiffusion

האזור הקריטי ביותר בכל מבנה שכבתי הוא הממשק.אפילו שילוב קל - על סדר של 0.5-2 nm - יכול לשנות את מדפים של הלהקה, להציג מלכודות מדינות, או מחלישים. SIRS הוא רגיש מאוד לשינויים במצבים רטט בתופעות בתופעות של אלקטרון זעירות בממשקים.לדוגמה, תדירות מתיחה של חיבורי מתכת-אוקסגן משתנה עם מספר וסביבה חשמלית מקומית.

חומרים לא הרסניים, חומרים-Specific Contrast

בניגוד לטכניקות הנתמכות על צפיפות (X-ray רפלקטיביות) או מספר אטומי (Z-contrast STEM), ספקטרוסקופיה אינפרא אדום מספקת טביעות אצבע כימיות ישירות קבוצות פחמן, amides, פוספטים, ורטטים אחוריים פולימרים פולימרים הם בבירור להבחין.זה הופך את SIRS אידיאלי עבור מבנים מעושים המכילים חומרים אורגניים או היברידיים, כגון photovoltaics אורגניים, ציפויים, משטחים מורכבים, biofunctionalized.

חקירה ומתודולוגיות

עיצוב Beamline

קווי מס הכנסה ייעודיים קיימים במתקני סינכרונכרון גדולים ברחבי העולם, כולל מקור האור המתקדם (ALS, ברקלי), מקור אור היהלום (בריטניה), SOLEIL (צרפת), והסינכרון האוסטרלי.הקוויים האלה בדרך כלל מסלקים קרינה אינפרא אדום מנמל מגנטי מבורך, מסונן מרכיבים עתירי אנרגיה גבוהים, ומספקים את האור המקוצר עד קצה דרך או מפונה לפחים כדי להימנע מחמצן לפח מים אטמוספריים.

מחלוקות

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ( ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) השתקפות:ראה: ⁇ 1:1 עבור דגימות על תת-שכבות רפלקטיביות (metals או doped Semiconductors), הדבורה משתקפת על פני השטח.
  • (FLT:0) ATRIRING ⁇ ⁇ 1:1 אלמנט השתקפות פנימית (למשל, יהלום או גרמנייום) הוא לחץ נגד הדגימה. גל ה ⁇ רק את המיקרומטרים הראשונים, אידיאלי עבור שכבות רכות או מכווצות.
  • (FLT:0)Far-Field Microspectroscopy לעומת קרוב ל-Field Nanospectroscopy: FLT:1 מיפוי רחוק שדה מכסה אזורים עד מילימטרים עם פתרון מיקרון. ליד שדות טכניקות (AFM-IR, פיזור מסוג SNOM) לשבור את גבול הפיזור, המציעה פתרון מרחבי עד 10-50 nm עבור האפליקציות המבוקשות ביותר.

רכישת נתונים ועיבוד

מפה טיפוסית של hyperspectral יכולה להכיל מאות אלפי חבילות תוכנה מודרנית (למשל, PyIR, MATLAB מבוסס שגרה) לאפשר עיבוד מהיר: תיקון בסיס, ירידה רעש באמצעות ניתוח רכיב ראשי (PCA), והתאמה של שיאים בודדים כדי לחלץ אינטנסיביות, עמדה, ורוחב מלא בחצי מקסימלי. תמונות כימיות נוצרים על ידי קליטת משולבת של קבוצה אופיינית (O=S) עבור ציפוי CIX) ב- C.

יישומים בהנדסה וחומרים מדע

מיקרואלקטרוניקה ו- Optoelectronics

SIRS כבר האינתיסטרציה בניתוח III-V מורכב מוליכים למחצה, סיליקון-on-inulator (SOI) wfers, וערימות דיאלקטריות גבוהות של דיאלקטריות דיאלקטריות.לדוגמה, היווצרות שכבת תחמוצת סיליקון בין-גזעית בין חומר סיבולת גבוה (HfO2, Al2O3) ומצע הסיליקון ניתן לעקוב באמצעות מדד Si-OSi ליד 1070-1- ס"מצביע על שינויים בטווח הנוכחי.

מחקר: GaN/AlGaN HEMT Structures

ב-High-electron-mobility Transistors (HEMTs), שכבת מחסום AlGaN מייצרת גז אלקטרוני דו-ממדי (2DEG) בממשק.מיפוי של סעיף צלב מחוספס חשף את נוכחות של שכבת פחמן עשירה ללא כוונה בפחמן בממשק אשר דה-רד ביצועים.הפחמן זוהה על ידי חתימה חלשה C-H (2850-29-41 - סנטימטרים עם ניידות מופחתת.

אחסון אנרגיה וסגירה

Lithium-Ion Battery Electrodes

ה-Auto-Electrolyte interphase (SEI) שצורות על ה- aode הוא סרט דק ורב-שכבתי שהקומפוזיציה שלו קובעת את יכולת השימור והבטיחות. SIRS, לעתים קרובות במצב השתקפות כולל מלוטש, זיהה את האבולוציה של ליתיום פחמן (Lithium Carbonate) (Lithium Carbonate) Lthium Carbonate (Lithium Carbonate) ו-Speeric Species (Li2CO3, 870 ס"מ"מ-R) חזק 870 ס"מ-R1 להקות), להקות), ליתיקים) להקות), ליתיקים להקות סגסוגת פולימרומטרים, 870 ס"מ"מ"מ-S, 870 ס"מ"מ"מ-R1 להקות), ליתיקים, ו-R1 להקות), ליתיקים, 000 להקות), ליתיקים, 0001), ליתיקים, 000 להקות), ליתיקים, 000 להקות להקות להקות להקות להקות), ליתיקים, 000 להקות), ליתיקים, 000 להקות להקות להקות להקות להקות להקות להקות סגסוגת פולימריאומטי

תאים סולאריים Perovskite

תאים סולאריים שכבתיים מכילים שכבות אלקטרוניות-טרנספורט (TiO2, SnO2), קולטן אורגני-inorganic perovskite, ושכבות בור (spiro-OMeTAD) ⁇ d microspectroscopy מפות ההפצה של התעלמותו האורגנית (MA+, FA+) ותואר הגבישויות באמצעות להקות N-H ב 3400-3-R.

עקבו אחרי Surface Engineering

Anti-Corrosion Multilayers

ציפוי אנטי קורוזיה מודרני עבור ⁇ אווירוקל מורכב של פריים חינם chromate, שכבת המרה, ואת הדמיה של SIRS של קצה לחתוך או סופר מראה כיצד מים עלייה ו ion ingress לגרום הידרוליזה מקומית של כבל פולימר פולימר.החתת ספק המרכזית של הידרוליזה אסטר (decase in C=O ב 1735 ,1, יכול להיות במעקב כמותי של 3-H) מדיום של זמן, 000 ימים.

יהלום כמו פחמן (DLC) מתקפלים

סרטי DLC הם מבנים פחמן דונמיים עם תערובת של sp2 ו sp3 אג"ח.האטים היחסיים של הלהקה G (~1580 ס"מ-1) ו- D (~1360 ס"מ-1) בספקטרום אינפרא אדום (התדר ממצבי Raman-active, אך גלויים באמצעות אינפרא אדום כאשר הפרעה שוברת סימטריה) מתאם קשיחות ו/ת התנגדות.

ביו-רפואי ו- Bioinspireed Materials

סמים - nting Stent Coatings

ציפויים סטרנטיים מורכבים לעתים קרובות שכבת פולימר עמוסה עם תרופה אנטי-פרו-בית (למשל, Sirolimus או paclitaxel), שכבת מחסום, ולפעמים שכבת עליון ביומטית. SIRS יכול למפות את הפצת הסמים לפני ואחרי פיזור. ester ו-amide להקות של התרופה הם נבדלים מ matrix, המאפשרים לחוקרים לאמת ציפוי אחיד ומורכבות ייצור.

« נאג מלאכותי (אמא-of-Pearl) Composites

ביוין בהשראת תרכובות שכבתיות שמחקות את nacre משלבות משטחים קשים אורגניים (alumina, גרפן oxide) עם דבק אורגני רך (polymer או חלבון) SIRS מגלה את מידת ההיערכות המולקולרית בשלב האורגני: amide I (C=O) ו- amide II (N-H) להקות שינוי אינטנסיבי כאשר השרשראות פולימרים מוכוונים במקביל למידע תת-הטרנטי זה עדיין שרידים.

כיוונים עתידיים וסיכויים מתעוררים

Ultrafast ו-Operndo Spectroscopy

המבנה הזמני של קרינה סינכרון (כפים על סדר של עשרות עד מאות דוכנפיים) מאפשר תכנון אינפרא אדום-פרובי של משאבה (probe אינפרא אדום) מחקר העברה מושרה תמונה במכשירים perovskite או מעברים בשלב בחומרי סוללות על לוחות זמנים מהירים יהפכו לשגרה יותר כמו beamlines אינפרא אדום חדש משלב יכולות לייזר.

Multimodal Correlative Microscopy

שילוב של SIRS עם טכניקות סינכרונארון אחרות - X-ray פלואורescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), X-ray ספיגת ליד מבנה דור-הדור (XANES) - מספק תמונה מקיפה.עבור nanostructureed, אחד יכול להשיג את ההתפלגות האלמנטלית (XRF), שלב גבישי (X), מצב חמצון (X), ו-ANES), ו-ANES (מקור מולקולרי (מקור) עם ה-D (מקור מתקדם של קוד קרינת אור (XD) עם קרינת אור קנדית (XD) ו-D (XD) ו-D) עם קרינת מיקרו-D (XD) עם קרינת קוד קרינת מיקרו-D (XD (XD) ו-D (XRF) ו-D) עם , ו-D (XD (מקור (XD) כבר עם , ו-D) עם , ו-D) עם קרינת מיקרו-D (XD) עם קרינת קוד מתקדם (XD (XD) עם קרינת קוד מתקדם (XRF) ו-D (XD) ו-D) ו-D) ו-D (מקור (

Machine Learning in Spectral Analysis

נפח הנתונים של SIRS מיפוי (gigabytes לדגימה) הופך ניתוח אוטומטי חיוני. אלגוריתמי למידה עמוקה מאומנים לסווג חתימות ספקטרליות, לזהות אזורים מחוץ ל (מקלטים), וחיזוי תכונות חומריות מתמונות אינפרא אדום.לדוגמה, רשת עצבית מהפכתית יכולה להבחין בין prise ו degraded פולימרים בציפוי עם דיוק > 95%, צמצום ניתוח נטייה אנושית וזמן הטיה.

החלטת ננומטרי הופכת ל-Routine

בעוד ליד שדה אינפרא אדום nanospectroscopy (SINS) כיום דורש מומחיות מיוחדת הכנת דגימה זהירה, הדור הבא של סינכרונכרן אינפרא אדום beamlines יכלול נקודות קצה ייעודיות SINS עם שיפור באמצעות חישוב.זה יאפשר ניתוח כימי שגרתי של שכבות רק כמה ננומטרים עבה - קריטי עבור מבנים חומרים 2D מתעוררים כגון גרפן / hexagonal boridet (BNh) או מעבר מתכת (coide) או מתכת (D)).

אתגרים ושיקולים מעשיים

למרות כוחו, SIRS אינו תרופת פלאאצה.יש לשקול גורמים אחדים:

  • (ב) ⁇ :0) הכנת ⁇ : (ההעברה) 1 (ה) דורשת דגימות דקות, אשר יכולות לשנות רב-שכבות עדינות.חלק עם קרן יון ממוקדת הוא אפשרי אך זמן-consuming.
  • (FLT:0)Beam damage:FLT:1 למרות האנרגיה הפוטונית הנמוכה יחסית של אינפרא אדום, חשיפה ממושכת יכולה לחמם או לפגוע בשכבות אורגניות photochemical, במיוחד בנוכחות של חמצן.
  • (FLT:0) פרשנות נתונים: המחשה 1 (Overlapping spectralלהקות משכבות שונות (למשל, Si-O מ substrate ו Si-O מציפוי) דורשות ספקטרום רב-לשוני מתוחכם שאינו מעורב.
  • (FLT:0) גישה: ⁇ FLT:1 ; Beamtime במתקני סנכרון הוא תחרותי.חוקרים חייבים להגיש בקשה להצעות, וזמני תפנית יכולים להיות חודשים.

מסקנה

Synchrotron אינפרא אדום ספקtroscopy מספק שילוב לא תואם של ספציפי כימי, פתרון מרחבי, וניתוח לא הרסני עבור nanostructures הנדסה שכבתית.מ בעד שילוב עדין של מוליכים למחצה heterojunctions כדי לעקוב אחר האבולוציה הכימית של טכניקות אלקטרודות להציב, SIRS מספק את תובנות ברמה המולקולרית כי להנחות את העיצוב של הדור הבא של חומרים מתקדמים.

(ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה']] [ה']'[ה]']'[ה']'[ב]']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']']'[ה'[ה']']']'[ה']'[ה']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה']']'[ה'[