[發明專利]一種透射式納米尺度紅外吸光度光譜原位表征裝置

在審

• 申請號: 202110600667.5
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113567709A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 曾華榮;徐琨淇;趙坤宇;李國榮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24;G01N21/35
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 郭蔚

本發明公開了一種透射式納米尺度紅外吸光度光譜原位表征裝置，該裝置還包括：一透射式納米紅外光熱激勵模塊，用于產生和控制周期性脈沖紅外激光，由熱探針檢測透射的周期性脈沖紅外激光的光強，并誘導熱探針產生周期性溫度變化；一光熱信號檢測模塊，根據熱探針的周期性溫度變化，進行時域向頻域形式的轉換；一紅外吸光度光譜采集模塊，用于分析、處理透射式納米紅外光熱激勵模塊傳遞的周期性脈沖紅外激光的波數和光熱信號檢測模塊傳遞的光熱基頻信號F_ω，并計算樣品材料對應波數的紅外吸光度相對值。本申請用原子力顯微鏡納米尺度熱探針直接檢測透過樣品材料的紅外光光強，來表征樣品對該波數的紅外光吸光度，建立起基于原子力顯微鏡的納米紅外吸光度光譜的新裝置。

技術領域

本申請涉及信號檢測儀器領域，尤其是一種透射式納米尺度紅外吸光度光譜原位表征裝置。

背景技術

紅外吸光度是分析材料組成和結構的重要參數之一。傳統傅立葉變換紅外光譜技術(Micro-FTIR)為材料、化學、生物及醫學等領域的物質結構鑒定及成分定量分析提供了有力工具。

為了實現材料納米尺度紅外吸光度表征，目前商用或已有技術如基于原子力顯微鏡技術基礎上發展起來的納米光熱顯微術、納米光溫顯微術、納米熱紅外顯微術為納米化學顯微成像或納米紅外光譜表征提供了重要新手段。然而，現有裝置或技術有著各自的適用范圍、各自的利弊。如納米光熱顯微術通過檢測探針－樣品微區在脈沖激光作用下的光熱膨脹振動信號，因而該技術對于低熱膨脹系數、低模量的樣品檢測靈敏度較低；如納米光溫顯微術利用熱探針檢測樣品紅外吸收的溫度變化，克服了樣品膨脹系數、模量等因素的影響，然而這種技術是采用時域信號進行表征或成像的，因此成像速度無法滿足快速表征或者與形貌像原位同步表征的需要。納米熱紅外顯微術使用AFM熱探針采用頻域變換手段來檢測脈沖光熱作用的樣品升溫，可以有效實現快速紅外吸光度面分布成像，然而該技術對紅外吸光度光譜采集靈敏度較低。

針對當前納米尺度紅外吸光度表征的種種不足，基于原子力顯微鏡(以下簡稱AFM)平臺，希望在克服樣品其他光熱作用(如熱膨脹、熱導率等)的影響基礎上，發展一種能夠實現納米尺度紅外吸光度光譜采集的新方法和新裝置，以作為在現有商業化裝置或技術失效時可選擇的更好方案，以推動相關材料的納米尺度化學組成、結構關鍵科學問題的深入研究及其創新發展。

發明內容

本申請基于AFM納米平臺發展了一種透射式納米尺度紅外吸光度光譜原位表征裝置，以實現獲得材料AFM形貌像的同時，原位獲得指定納米微區的紅外吸光度光譜，為材料的化學組成與結構的深入研究提供一種原理簡單、測試直接的原位納米表征技術。

本發明公開了一種透射式納米尺度紅外吸光度光譜原位表征裝置，用于實現材料納米尺度紅外吸光度光譜原位表征，其特征在于，所述裝置進一步包括：

一透射式納米紅外光熱激勵模塊，用于產生和控制周期性脈沖紅外激光，所述周期性脈沖紅外激光通過反射透射單元后透過樣品材料，由熱探針檢測透射的所述周期性脈沖紅外激光的光強，并誘導所述熱探針產生周期性溫度變化，所述溫度變化信號ΔT直接與所述熱探針與所述樣品材料接觸微區的紅外吸光度η相關；

一光熱信號檢測模塊，根據所述熱探針的周期性溫度變化，進行時域向頻域形式的轉換，然后取其光熱基頻信號F_ω輸出；

一紅外吸光度光譜采集模塊，用于分析、處理所述透射式納米紅外光熱激勵模塊傳遞的所述周期性脈沖紅外激光的波數和所述光熱信號檢測模塊傳遞的所述光熱基頻信號F_ω，并根據紅外激光單次脈沖的總功率P、所述熱探針的溫度變化信號ΔT與所述材料樣品紅外吸光度η參數的對應關系，計算所述樣品材料對應波數的紅外吸光度相對值，所述光熱基頻信號F_ω表示所述樣品材料的紅外吸光度：

F_ω∝ΔT∝ΔP,η∝lg(P/ΔP)

其中，ΔP表示所述熱探針的吸收功率；