Was ist Infrarot-Mikroskope?
Die Infrarot-Mikroskopie ist eine Art der optischen Mikroskopie, bei der mit Hilfe der Infrarot-Mikrospektroskopie kleinste Bereiche mit Infrarotlicht analysiert werden.
Als Lichtquelle wird Infrarotlicht mit einer langen Wellenlänge verwendet, was die räumliche Auflösung aufgrund der Beugungsgrenze einschränkt, aber eine Spektralanalyse ermöglicht. Viele derzeit erhältliche Infrarot-Mikroskope kombinieren die Funktionen gängiger Infrarotspektrometer wie Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Totalreflexion.
Verwendungszwecke von Infrarot-Mikroskopen
Infrarot-Mikroskope werden in den Bereichen Fehleranalyse und materialwissenschaftliche Forschung eingesetzt, da sie mikroskopisch kleine Proben messen können. Es ist auch nützlich bei der Untersuchung von Fremdkörpern in Festkörpern und Defekten, indem Unterschiede in der Absorptionsrate von Infrarotstrahlung ausgenutzt werden.
Sie wird auch als Methode zur Messung der Dicke von Halbleitern verwendet. Halbleiter zeichnen sich durch einen hohen Brechungsindex sowie einen Transmissionsbereich im infraroten Bereich aus. Optische Messungen mit Infrarotlicht anstelle von sichtbarem Licht sind erforderlich, was den Nachteil hat, dass die Genauigkeit verringert wird, da Infrarotlicht durch den hohen Brechungsindex beeinflusst wird.
Es hat jedoch auch den Vorteil, dass es weniger von den Oberflächenunregelmäßigkeiten des Messobjekts beeinflusst wird. Eine Methode zur Messung der Dicke von Halbleitern mit einem Infrarot-Mikroskop ist die Interferometrie, bei der die Dicke aus dem optischen Wegunterschied des von der Vorder- und Rückseite des Messobjekts reflektierten Lichts bestimmt wird.
Prinzipien der Infrarot-Mikroskope
Das Prinzip der Infrarot-Mikroskope ist das gleiche wie das der gewöhnlichen optischen Mikroskopie. Infrarot-Mikroskope kombinieren die Funktionen eines Mikroskops für die Aufnahme von Bildern und eines Spektrographen für die Spektralanalyse.
Konkret wird die Probe unter Vergrößerung mit sichtbarem Licht betrachtet, um den zu messenden Bereich zu bestimmen, und dann zur Messung auf Infrarotlicht umgeschaltet.
Arten von Infrarot-Mikroskopen
Zu den Infrarot-Mikroskopen gehören die Fourier-Transformationsmikroskope, die die Funktionen eines Infrarotspektrometers und eines Infrarotspektrometers kombinieren.
1. Infrarot-Spektrometer
Infrarotspektrometer sind Infrarot-Mikroskope, die eine Probe mit Infrarotlicht bestrahlen und durch Spektroskopie des durchgelassenen (oder reflektierten) Lichts ein Spektrum erhalten, um die Probe zu charakterisieren. Wie optische Mikroskope bestehen sie aus einer Lichtquelle, Spiegeln, Linsen und einem Detektor.
Infrarot-Mikroskope verwenden keine Linsen, die auf der üblichen Brechung basieren. Stattdessen werden Objektivlinsen verwendet, die die Reflexion des Lichts ausnutzen, so genannte Cassegrain-Optiken, die in Spiegelteleskopen eingesetzt werden.
Bei der Verwendung von Optiken entspricht die räumliche Auflösung ungefähr der Wellenlänge der Lichtquelle und ist auf einige Mikrometer bis zu einigen zehn Mikrometern begrenzt. Das in der Infrarot-Mikroskope für die FTIR-Bildgebung verwendete Infrarotlicht liegt typischerweise zwischen 2,5 und 25 Mikrometern.
Dieses Wellenlängenband wird durch die Schwingungen und Drehungen der Moleküle moduliert, so dass beim Scannen der Wellenlängen ein materialspezifisches Spektrum entsteht. Dieses kann wie bei der FTIR einer Fourier-Analyse unterzogen werden, so dass ein 2D-Bild, das mit einem Mikroskop aufgenommen wurde, mit einem Mapping überlagert werden kann.
2. Art der Fourier-Transformation (FT-IR)
Infrarot-Mikroskope mit Fourier-Transformation (FT-IR) charakterisieren eine Probe, indem sie sie einem kontinuierlichen Lichtstrahl aussetzen, anstatt sie mit Infrarotlicht zu bestrahlen. Nach der gleichzeitigen Erfassung aller Wellenlängen mit einem Interferometer wird das Interferenzmuster Fourier-transformiert, um ein Absorptionsspektrum zu erhalten, das der Molekularstruktur entspricht.
Die Fourier-Transformation hat vier wesentliche Vorteile
- Der gleichzeitige Nachweis mehrerer Wellenlängen ist möglich.
- Hoher Rauschabstand, da keine Schlitze vorhanden sind.
- Die Wellenlängenauflösung kann durch Verlängerung des Verfahrwegs des beweglichen Spiegels erhöht werden.
- Der Messwellenlängenbereich kann durch Austausch der Lichtquelle, der Fensterplatte usw. vom fernen Infrarot auf den sichtbaren Bereich erweitert werden.
Zwei gängige Fourier-Transformationstypen sind DTGS (deuteriertes Triglycinsulfat) und MCT (Quecksilber-Cadmium-Tellurid).
DTGS ist ein pyroelektrischer Detektor mit langsamer Ansprechzeit, niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis und kann bei Raumtemperatur verwendet werden. MCT-Halbleiterdetektoren mit guter Empfindlichkeit sind geeignet, wenn nur wenig IR-Licht auf den Detektor trifft. MCT-Detektoren müssen jedoch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.
Weitere Informationen zur Infrarot-Mikroskopie
Messungen mit zweidimensionalen Array-Detektoren
Hochleistungs-Infrarot-Mikroskope, die mit einem zweidimensionalen Array-Detektor messen können, sollten aufgrund ihrer hohen Wärmeentwicklung mit Vorsicht verwendet werden. Bei der Verwendung müssen sie mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.
Wird das Mikroskop nicht gekühlt, kann es aufgrund von Hitzeschäden an den Elementen teilweise unbrauchbar werden, und die Menge des Flüssigstickstoffs muss jederzeit kontrolliert werden. Die Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist auch für gängige MCT-Detektoren erforderlich.
Es gibt auch Infrarot-Mikroskope, die Messungen ohne Flüssigstickstoff durchführen können. Die messbaren Dicken und die Genauigkeit unterscheiden sich bei Verwendung oder Nichtverwendung von Flüssigstickstoff.