High-End Forschungsanwendungen mit VERTEX Serien FT-IR Vakuum-Spektrometer

Was sind die großen Vorteile der Vakuum-Optik für anspruchsvolle FT-IR-Experimente? Die verschiedenen Schwingungsmoden von Wasserdampf und Kohlendioxid in der Laborluft haben ihre Absorptionsbanden im gesamten MIR- (Mittelinfrarot) und FIR/THz- (Ferninfrarot/ Terahertz) Spektralbereich (siehe Abbildung). Besonders in der FIR-Region können die reinen Rotationsschwingungen der atmosphärischen Verunreinigungen sogar zur totalen Absorption des IR-Lichts führen. Die häufigste Methode zur Verringerung der Auswirkungen der atmosphärischen Verunreinigungen ist die Spülung der Optik-Bank, wie man es bei den FT-IR-Spektrometern VERTEX 80 und VERTEX 70 machen kann. Dennoch enthält selbst „trockene“ Luft immer eine Restfeuchte und CO₂, wodurch erhebliche atmosphärische Artefakte entstehen und die Empfindlichkeit effektiv eingeschränkt wird. Insbesondere bei anspruchsvollen F&E-Messungen im Mittleren und Fernen Infrarot kann es daher schwierig oder gar unmöglich sein, adäquate Ergebnisse zu erzielen. Nur ein Vakuum-Spektrometer kann diese inhärenten Grenzen vollständig überwinden.

Die Bruker FT-IR-Vakuum-Spektrometer VERTEX 80v und VERTEX 70v bieten höchste Flexibilität und Stabilität für anspruchsvolle Forschungsanwendungen. Das gesamte Design der Vakuum Optik eliminiert atmosphärische Störungen in den resultierenden Spektren und reduziert Artefakte, die durch Temperaturschwankungen in der Umgebung verursacht werden. Besonders das Vakuum-Spektrometer VERTEX 80v mit seinem einzigartigen UltraScan™-Interferometer ist der anerkannte Gold-Standard für anspruchsvollste Anwendungen, bei denen höchste Empfindlichkeit, breitester Spektralbereich (insbesondere die FIR-/THz-Region) oder höchste spektrale oder zeitliche Auflösung erforderlich sind.

 Vakuum Vorteile der FT-IR-Spektroscopie

• Keine Temperaturschwankungen durch Umwelteinflüsse
• Keine atmosphärische Absorption, die schwache spektrale Eigenschaften verdeckt oder mit hohen spektralen Auflösungsmerkmalen interferiert
• Keine Probleme, die durch Schwankungen in der Versorgung der Trockenspülluft verursacht werden
• Höchste Stabilität und Reproduzierbarkeit
• Höchste Sensitivität

VERTEX Vakuum-Eigenschaften

• Schnelle Evakuierung durch hohe Geschwindigkeit, trockene und geräuscharme Vakuum-Pumpe
• Automatische Strahlteiler (BMS)-Austauschoption mit vier Positionen für die VERTEX 80v Vakuum-Optik-Bank
• Automatische Probenraum-Verschluss-Option für schnellen Probenaustausch und höchste SNR
• Permanent montierte Fenster oder verstellbare Teleskop-Fenster, z. B. wenn spezielle Experimente einen gespülten Probenraum erfordern

Es ist bekannt, dass VERTEX 80v FT-IR-Forschungs-Spektrometer auf den THz-Spektralbereich bis 5 cm^-1 (ca. 0,15 THz) zugreifen und den Rekord für den breitesten erreichbaren Spektralbereich von UV/Vis bis THz mit der FT-IR-Technik halten können. Die Vakuum-Spektrometer VERTEX 80v und VERTEX 70v können mit dem Raumtemperatur-FIR-DTGS-Detektor 10 cm^-1 erreichen, kombiniert mit der externen HG-Lichtbogenquelle und den entsprechenden Strahlteilern. Die ausgezeichnete Geräteleistung und Sensitivität mit dieser Konfiguration sind für die meisten Chemie- oder Physik-Anwendungen in der FIR-Region ausreichend. Darüber hinaus können in einigen sehr anspruchsvollen Experimenten, die höchste Empfindlichkeit in der FIR-/THz-Region erfordern, um extrem schwache spektrale Merkmale zu erkennen, oder für Messungen, die den Zugriff auf wenige Wellenzahlen benötigen, mit Flüssighelium gekühlte Bolometer zusätzlich eingesetzt werden.

Herausragende FIR-/THz-Spektralbereichs-Spezifikation von VERTEX Vakuum-Spektrometern

• Ausgezeichnete Sensitivität bis 50 cm^-1 mit dem RT-DTGS-Detektor
• Zugang bis 10 cm^-1 mit der zusätzlichen externen wassergekühlten HG-Lichtbogen-FIR-Quelle
• Zahlreiche FIR-BMSs für optimierte Leistung und eine große Auswahl an MIR-FIR BMSs für einfache Bedienung stehen zur Verfügung
• Rekord-Sensitivität im FIR-/THz-Spektralbereich bis 5 cm^-1 mit VERTEX 80v und Flüssighelium gekühlten Bolometern

Um die spektralen Grenzen, die höchste Sensitivität oder Auflösung in der FIR-/THz-Region zu erreichen, werden flüssigheliumgekühlte Bolometer oft als Detektor benötigt. Da Flüssighelium sehr kostspielig ist, in einigen Regionen sogar überhaupt nicht verfügbar ist, erfordert der Umgang mit dieser kälteerzeugenden Flüssigkeit qualifizierte Bediener und erhebliche Vorbereitungszeit. Sie wird von vielen Forschern zunehmend als Flaschenhals betrachtet. Alternative trockene Pulsröhrengekühlte Bolometer erfordern eine lange Evakuierungs- und Abkühlzeit (ca. 3-4 h), können Artefakte durch potenziell unerwünschte Vibrationen erzeugen und sind immer noch recht teuer. Nun werden diese Einschränkungen durch die neue und einzigartige verTera Terahertz-Erweiterung für das VERTEX 80v Vakuum-Spektrometer beseitigt. Mit der verTera-Funktionalität wird das bekannte Vertex 80v zum weltweit ersten und einzigen kombinierten FT-IR/cw-THz-Spektrometer mit erstaunlichen Möglichkeiten. Ein Spektralbereich bis zu 3 cm^-1 (0,09 THz) kann ohne kältegekühlte Komponenten abgedeckt werden.

Spannende Möglichkeiten mit der verTera-Erweiterung für das VERTEX 80v

• Integrierte hochmoderne CW-THz-Technologie
• Spektralbereich bis 3 cm^-1 (0,09 THz)
• Effektive spektrale Auflösung besser als 0,0007 cm^-1 (besser als 20 MHz)
• Der gleiche Probenraum und Zubehör für FT-IR und THz
• Höchste THz-Leistung durch Vakuum und einzigartiger THz-Algorithmus
• Transmissions-, Reflexions- und ATR-Messung
• Messbereit auf Knopfdruck (keine Vorbereitungszeit)
• FT-IR- und THz-Modus gesteuert über leistungsfähige OPUS-Software

Warum und wann ist die Kombination von Ultra-Hoch-Vakuum (UHV) und FT-IR-Technik erforderlich?

• Die Forschungsthematik erfordert sehr genau definierte Bedingungen (wie Druck, Konzentration, Temperatur usw.), um Modellsysteme zu prüfen und reale Prozesse besser zu verstehen.
• Die Probe selbst muss gereinigt, vorbereitet, modifiziert und/oder unter UHV-Bedingungen aufbewahrt werden.
• Andere kombinierte Analysetechniken (wie XPS, LEED, TDS etc.) in interdisziplinären Forschungsprojekten benötigen bevorzugt UHV-Bedingungen.

• Nicht nur UHV-Kammern, sondern auch Plasmakammern, Hochdruckkammern oder andere kundenspezifische voluminöse Reaktionskammern können mit der FT-IR-Technik kombiniert werden.

Die FT-IR-Spektroskopie kann als zerstörungsfreie und hochsensible ergänzende Analysetechnik zu einer UHV-Anlage hinzugefügt oder an diverse kundenspezifische Kammern angepasst werden. Bruker VERTEX FT-IR-Vakuum-Serien-Forschungsspektrometer VERTEX 80v und VERTEX 70v mit kompletter Vakuum-Optik-Ausstattung bieten überdurchschnittliche Sensitivität, Stabilität und Reproduzierbarkeit im Vergleich zu gespülten Spektrometern, da der gesamte Strahlengang evakuiert werden kann, um atmosphärische und umgebungsbedingte Störungen zu vermeiden. Besonders das Vakuum-Spektrometer VERTEX 80v ist der Gold-Standard für High-End-FT-IR-Anwendungen und UHV-Adaptionen, die es erlauben, schwache Banden bis 10-5 au (Absorptionseinheiten) und sogar darüber hinaus zu messen. Außerdem ist die Adaption von Vakuumkammern mit Vakuum-Spektrometern technisch effizienter und zuverlässiger.

Bruker ist in diesem anspruchsvollen Anwendungsbereich sehr erfahren und bietet spezialisierte UHV-FT-IR-Lösungen. Wir haben erfolgreich Anpassungen für verschiedene UHV-Systeme installiert, die von verschiedenen UHV-Lieferanten hergestellt wurden. Wir sind in der Lage, flexible Lösungen anzubieten, um UHV-Kammern unterschiedlicher Abmessungen und Formen anzupassen.

Um Ihre Anwendungsherausforderungen vollständig zu verstehen und Ihre individuellen experimentellen Anforderungen zu erfüllen, stellen wir Ihnen den UHV-FT-IR-Fragebogen zur Verfügung, um Ihren Bedarf besser zu formulieren und eine reibungslose und effiziente Kommunikation zu ermöglichen.

 Die Step-Scan-Technik ermöglicht die Überwachung des zeitlichen Fortschritts sehr schnell reproduzierbarer Ereignisse. Der Interferometer-Spiegel geht konsekutiv zu den einzelnen Interferogramm-Punkten, wo der reproduzierbare Experiment neu gestartet wird. Alle Spektrometer der VERTEX-Serie können hervorragende zeitaufgelöste Daten und ausgezeichnete Schrittfrequenz erzielen, die für die experimentelle Durchführbarkeit entscheidend sind. Dank seines UltraScan™ Interferometers und der kompletten Vakuum-Vorteile ist das VERTEX 80v in der Forschungsgemeinde weithin anerkannt durch seine konkurrenzlose Step-Scan-Leistung und genaueste Scanner-Steuerung.

Warum ist das Vakuum wichtig für die Step-Scan-Technik?

In VERTEX 80 und VERTEX 80v Spektrometern kann eine mechanische Positioniergenauigkeit für den Scan-on besser als 1 nm erreicht werden. In dieser Größenordnung verursachen bereits kleinste Temperaturschwankungen von rund 0,1 K zusätzliche optische Wegdifferenz von ca. 9 nm. Da in einem gespülten Gerät solche Fluktuationen nie ausgeschlossen werden können, können nur Vakuum-Spektrometer effektive Genauigkeiten im niedrigen nm-Bereich erreichen. Durch die Kombination des Vakuum-Vorteils und des einzigartigen UltraScan-Interferometers ist das VERTEX 80v somit das einzige kommerzielle System, das eine effektive Positioniergenauigkeit besser als 1nm erreicht. Darüber hinaus erreicht es die höchsten Schrittfrequenz von bis zu 50 Schritte/s, mit einem starken Einfluss auf die gesamte Messdauer und die allgemeine Machbarkeit von Experimenten.

 Die beispiellose Step-Scan-Leistung des VERTEX 80v

• Höchste Schrittfrequenz von bis zu 50 Schritten pro Sekunde
• Mechanische und effektive Positioniergenauigkeit für den Scan-Spiegel besser als 1 nm
• Beste Leistung für zeitaufgelöste und Amplituden-/Phasen-Modulations-Spektroskopie
• Zeitliche Auflösung von 6 µs mit 24 bit integrierten Standard ADC
• Zeitliche Auflösung bis zum niedrigen nsec-Bereich mit Transientenrekorderkarte, schnellem Detektor und schnellem Vorverstärker

Es gibt verschiedene Betriebsarten von Step-Scan-Experimenten. Die zeitaufgelöste Step-Scan-Spektroskopie wird verwendet, um sehr schnelle und wiederholbare Reaktionen oder Prozesse zu verfolgen, z. B. die spektrale Emission und die Impulsdauer eines Lasers, wie in der Abbildung dargestellt. Die schrittweise Datenerfassung, die eine Matrix von Interferogramm-Punkten ergibt, ermöglicht gleichzeitig höchste spektrale Auflösung und höchste zeitliche Auflösung. Amplituden-regulierter Step-Scan kann verwendet werden, um schwach modulierte Signale von anderen umliegenden Signalen hervorzuheben, wie es für die Photolumineszenz-Messung im mittleren IR-Bereich (Details siehe Anwendungsbeispiel mit PL) angewendet wird. Phasen-modulierter Step-Scan ist z. B. für die Tiefenprofilierung in der photoakustischen Spektroskopie erforderlich.

Photolumineszenz (PL) ist eine wichtige Analysenmethode in der Material-/Halbleiter-Wissenschaft und der Optoelektronik. Im Infrarot-Spektralbereich ist die Empfindlichkeit der FT-IR-Technik deutlich höher als bei dispersiven Spektrometern. Bruker verfügt über jahrzehntelange Erfahrung für leistungsstarken PL-Lösungen mit den FT-IR Forschungsspektrometern.

Für NIR PL sind die schwachen atmosphärischen Absorptionen von Wasserdampf und CO₂ kein großes Problem, daher sind Vakuum-FT-IR-Spektrometer nicht unbedingt erforderlich. Im MIR-Bereich treten bei PL-Versuchen zwei zusätzliche Herausforderungen auf. Erstens ist die atmosphärische Absorption deutlich stärker. Da PL-Messungen typischerweise eine Einkanal-Spektroskopie bedeuten, gibt es keine Referenzmessung, um den Hauptteil der atmosphärischen Artefakte zu kompensieren. Zweitens ist der LN2-gekühlte PL-Detektor empfindlich auf die MIR 300 K thermische Hintergrundstrahlung, die schwache MIR PL-Signale verdecken wird.

Deswegen muss der amplituden-modulierte Step Scan verwendet werden, um die störenden thermischen Hintergrundeinflüsse zu beseitigen. Dazu wird eine modulierte Laseranregung angewendet, die wiederum eine Step-Scan-Datenerfassung erfordert. Dadurch wird auch das PL-Signal mit der bekannten Modulationsfrequenz des Anregungs-Lasers moduliert. Mit modernster Zwei-Kanal-Elektronik und Lock-in-Technik wird dann das modulierte PL-Signal verstärkt, während der konstante und unerwünschte thermische Hintergrund unterdrückt und herausgefiltert wird. Aufgrund der beiden oben genannten Herausforderungen sind Vakuum-Spektrometer mit zugehörigem Vakuum-PL-Modul für MIR-PL-Experimente sehr empfehlenswert. Da der gesamte Strahlengang unter Vakuum steht, kann die atmosphärische Absorption vollständig eliminiert werden. Darüber hinaus haben Vakuum-Spektrometer und vor allem das VERTEX 80v die beste Step-Scan-Leistung für amplitudenmodulierte Messungen, um thermischen Hintergrund auszublenden.

 Ultra-dünne Schichten auf metallischen oder dielektrischen Substraten können im Reflexionsmodus mit der FT-IR-Technik charakterisiert werden. Aufgrund der Oberflächenauswahlregeln auf Metallsubstraten kann s-polarisiertes Licht nicht mit den Adsorptionsmolekülen zusammenwirken, ganz egal unter welchem Einfallswinkeln, während p-polarisiertes Licht das Absorptionsmaximum beim streifenden Einfallswinkel erreicht. Deshalb werden ultra-dünne Schichten auf Metallsubstraten mit Reflexion beim streifenden Einfall (GIR) oder Infrarot-Reflexions-Absorptionsspektroskopie (IRRAS) mit einem Einfallswinkel von ca. 80° gemessen.

Der Wechsel zu nichtmetallischen Substraten wird weniger deutlich, da sowohl p- als auch s-polarisiertes Licht von den dünnen Schichten absorbiert werden kann. Die Intensität der Absorptionsbänder variiert je nach Einfallwinkel. Banden können sogar von negativ auf positiv umschalten und umgekehrt, indem Sie den Einfallswinkel oder die Polarisation ändern. Um eine dünne Schicht auf dielektrischen Substraten vollständig zu charakterisieren, müssen daher Messungen mit mindestens zwei Einfallwinkeln und mit beiden Polarisationen durchgeführt werden, und auch die Transmission kann ein wertvoller Ansatz sein.

Ultra-dünne Schichten zeigen in der Regel sehr schwache Absorptionsbanden in IRRAS-Spektren, z. B. bis 10-3 au (Absorptionseinheit) für eine monomolekulare Schicht mit einer Dicke von wenigen Nanometern oder sogar 10-5 au auf einem dielektrischen Substrat. Für solche schwachen Absorptionsbanden ist höchste Sensitivität des Gerätes erforderlich. Im untenstehenden Bild werden IRRAS-Spektren einer selbst-organisierten Monolage auf Au-Substrat verglichen. Das blaue Spektrum zeigt das auf einem VERTEX 70 gespülten Spektrometer gemessene Ergebnis. Die Restwasserdampfabsorption verdeckt die schwachen Probenabsorptionsbanden im Fingerprint-Bereich. Nach Anwenden der automatischen Wasserdampf- und CO2-Kompensationsfunktion in der OPUS-Software erhält man das rote Spektrum. Jedenfalls zeigt nur das auf einem VERTEX 70v Vakuum-Spektrometer (grünes Spektrum) gemessene Ergebnis eine sehr flache Grundlinie, insbesondere in den Regionen der atmosphärischen Störung um 3700 cm-1, 2300 cm^-1 und 1600 cm^-1. Darüber hinaus ist das auf dem Vakuum-Spektrometer gemessene Spektrum ein rein experimentelles Ergebnis ohne nachträgliche mathematische Datenmanipulation, wie es für das rote Spektrum getan wurde.

Jedenfalls zeigt nur das auf einem VERTEX 70v Vakuum-Spektrometer (grünes Spektrum) gemessene Ergebnis eine sehr flache Grundlinie, insbesondere in den Regionen der atmosphärischen Störung um 3700 cm-1, 2300 cm^-1 und 1600 cm^-1. Darüber hinaus ist das auf dem Vakuum-Spektrometer gemessene Spektrum ein rein experimentelles Ergebnis ohne nachträgliche mathematische Datenmanipulation, wie es für das rote Spektrum getan wurde.

Elektrochemische Untersuchungen sind ein sehr heißes Thema in der Grundlagen- und anwendungsbezogenen Forschung. In letzter Zeit erfordert der weltweite Trend des zunehmenden Energieverbrauchs die Entwicklung von Energiespeichern, z. B. Batterien mit hoher Kapazität und geringem Gewicht. Auch in der Biochemie oder in Katalyse-Studien ist die Elektrochemie von großer Bedeutung, um Redox-Reaktionen und das Verhalten von Katalysatoren zu verstehen. Die Kombination von FT-IR-Spektroskopie mit Elektrochemie bietet neben der elektrochemischen Daten des Experiments einen Einblick in die molekulare Veränderung und den Reaktionsprozess der untersuchten Moleküle.

Mit der Reflexionseinheit von Bruker für elektrochemische Zellen können sowohl Reflexionsmessungen zur Überwachung von Veränderungen an der Oberfläche der Arbeitselektrode als auch ATR-Messungen zur Untersuchung von Elektrolyten durchgeführt werden. Im Falle der Reflexionseinheit für Vakuum-Spektrometer ist der gesamte IR-Strahlengang unter Vakuum. Jedoch hat der Anwender vollen Zugriff auf die elektrochemische Zelle von der Oberseite des Geräts, wo die Zelle angepasst ist, ohne den Probenraum öffnen und das Vakuum unterbrechen zu müssen. Dies bietet den Anwendern die Möglichkeit, die Elektrolyt-Lösung oder die Elektroden für wiederholte oder eine Serie von Messungen aufzufrischen und andere Versuchs- und Messbedingungen konstant zu halten. Darüber hinaus kann aufgrund abwesender atmosphärischer Störungen eine höhere Empfindlichkeit und ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit einem Vakuum-Spektrometer, besonders im Fingerprint-Bereich, erreicht werden.

In vielen elektrochemischen Untersuchungen stehen schnelle elektrochemische Prozesse und Reaktionskinetik im Mittelpunkt des Interesses. Um den schnellen Potential-Schritten zu folgen und ein FT-IR-Spektrum bei jedem angewandten Potential-Wert zu erhalten, kurz nach der Gleichgewichtseinstellung, aber bevor das Potenzial wieder für den nächsten Schritt geändert wird, ist Rapid Scan sehr empfehlenswert und in vielen Fällen zwingend erforderlich.

Das Ergebnis wird in einer OPUS-3D-Ansicht dargestellt und zeigt nicht nur die Veränderung entlang der Wellenzahlachse, sondern auch die Abhängigkeit des Potenzials. Im 3D-Plot wird ein Beispiel-Ergebnis aus einer Redox-Reaktion gezeigt. In diesem Plot wird die Veränderung verschiedener Schwingungsbanden während der Messung im Vergleich zum zeitabhängigen Potenzial überwacht. Die Referenz wurde einmal am Anfang des Experiments gemessen. Daher wird in einem gespülten FT-IR-Spektrometer der Anwender wahrscheinlich auch die Veränderung der atmosphärischen Absorption während des gesamten elektrochemischen Experiments sehen, was das Signal von Interesse stört. Obwohl die atmosphärische Kompensation in der OPUS-Software angewendet werden kann, ist das Ergebnis einer echten Vakuummessung immer besser als nachbearbeitete Daten aus einem gespülten Spektrometer. Bei Verwendung eines Vakuum-Spektrometers muss sich der Anwender nicht mehr um atmosphärische Störungen und Schwankungen der Spülbedingungen sorgen. Eine spätere Datenmanipulation ist nicht notwendig, um höchste Empfindlichkeit und Stabilität für Ihre Forschungsarbeit zu gewährleisten.

Die VERTEX Serie FT-IR-Vakuum-Spektrometer VERTEX 80v und VERTEX 70v haben ihre Überlegenheit auch bereits in vielen anderen Anwendungsgebieten bewiesen:

• Spektroskopie bei tiefen Temperaturen
• Halbleiterforschung und Materialwissenschaft
• Matrix-Isolations-Spektroskopie
• Festkörperphysik
• Entwicklung von Metamaterialien
• Detektor-Charakterisierung
• Quellen-Charakterisierung
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