Différentes applications de recherche haute performance utilisant les spectromètres sous vide de la série VERTEX

Quels sont les avantages d'une optique sous vide pour les expériences IRTF exigeantes ? Les différents modes de vibration de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone dans l'air du laboratoire ont leurs bandes d'absorption dans toute la gamme spectrale MIR (infrarouge moyen) et FIR/THz (infrarouge lointain / térahertz) (voir figure).

En particulier dans la région FIR, les modes de rotation pure des contaminations atmosphériques peuvent conduire à une absorption totale de la lumière IR. La méthode la plus courante pour réduire les effets des contaminations atmosphériques est de purger le banc optique comme cela peut être fait pour les spectromètres FT-IR VERTEX 80 et INVENIO.

Cependant, même l'air de purge « sec » contient toujours de l'humidité résiduelle et du CO2, ce qui provoque des artefacts atmosphériques importants et limite efficacement la sensibilité. En particulier pour les mesures R&D exigeantes dans l'infrarouge moyen et lointain, il peut donc être difficile, voire impossible, d'obtenir des résultats adéquats. Seul un spectromètre sous vide peut surmonter complètement ces limitations inhérentes.

Les spectromètres IRTF sous vide VERTEX 80v et VERTEX 70v de Bruker offrent une flexibilité et une stabilité maximales pour les applications de recherche avancées. La conception de l'optique sous vide élimine les perturbations atmosphériques dans les spectres obtenus et réduit les artefacts causés par les fluctuations de température dans l'environnement. Le spectromètre sous vide VERTEX 80v avec son interféromètre UltraScan^TM unique est particulièrement reconnu comme la référence absolue pour les applications les plus exigeantes, où la sensibilité la plus élevée, la plage spectrale la plus large (en particulier la région FIR/THz) ou la résolution spectrale ou temporelle la plus élevée sont requises.

Avantages du vide pour la spectroscopie IRTF

• Aucune variation de température influencée par l'environnement
• Aucune absorbance atmosphérique ne masquant les caractéristiques spectrales faibles ou interférant avec les caractéristiques de résolution spectrale élevée
• Aucun problème causé par les fluctuations de l'alimentation en air de purge sec
• Stabilité et reproductibilité maximales
• Sensibilité maximale
  

Caractéristiques du vide de la série VERTEX

• Évacuation rapide avec la pompe à vide à grande vitesse, sèche et à bruit réduit
• Option d'échange automatique de séparatrice (BMS) à quatre positions pour le banc d'optique sous vide VERTEX 80v
• Option d'obturation automatique du compartiment d'échantillon pour un échange rapide d'échantillon et un rapport signal/bruit le plus élevé
• Fenêtres montées en permanence ou fenêtres de télescope réglables, par exemple si des expériences particulières nécessitent un compartiment d'échantillon purgé
  

Il est bien connu que le spectromètre de recherche IRTF VERTEX 80v peut accéder à la gamme spectrale THz jusqu'à 5 cm^-1 (environ 0,15 THz) et détient le record de la gamme spectrale la plus large réalisable de l'UV/Vis au THz en utilisant la technique IRTF.

Les spectromètres sous vide VERTEX 80v et VERTEX 70v peuvent atteindre 10 cm^-1 en utilisant le détecteur FIR DTGS à température ambiante combiné à la source d'arc Hg externe et aux séparatrices appropriés. Les performances et la sensibilité supérieures de l'instrument avec cette configuration sont suffisantes pour la plupart des applications chimiques ou physiques dans la région FIR.

De plus, dans certaines expériences très exigeantes nécessitant une sensibilité maximale dans la région FIR/THz pour détecter des caractéristiques spectrales extrêmement faibles, ou pour des mesures nécessitant un accès à quelques nombres d'ondes, des bolomètres refroidis à l'hélium liquide peuvent être adaptés.

Spécification exceptionnelle de la gamme spectrale FIR/THz des spectromètres sous vide VERTEX

• Sensibilité supérieure jusqu'à 50 cm^-1 en utilisant le détecteur RT DTGS
• Accès jusqu'à 10 cm^-1 en utilisant une source FIR Mercure refroidie par eau externe
• Nombreuses BMS FIR pour des performances optimisées et BMS MIR-FIR à large plage pour une utilisation facile disponibles
• Sensibilité record dans la gamme spectrale FIR/THz jusqu'à 5 cm^-1 en utilisant le VERTEX 80v et des bolomètres refroidis par liquide He
  

Pour atteindre les limites spectrales, la sensibilité ou la résolution la plus élevée dans la région FIR/THz, des bolomètres refroidis à l'hélium liquide sont souvent nécessaires comme détecteur. Comme l'hélium liquide est très coûteux, voire indisponible dans certaines régions, la manipulation de ce liquide cryogénique exige des opérateurs qualifiés et un temps de configuration important, ce qui le rend de plus en plus considéré comme un goulot d'étranglement par de nombreux chercheurs. Les bolomètres refroidis par tube à impulsion sec alternatifs nécessitent un temps d'évacuation et de refroidissement long (environ 3 à 4 heures), peuvent créer des artefacts dus à des vibrations potentiellement dangereuses et sont toujours assez coûteux.

Maintenant, ces limitations sont surmontées par la nouvelle et unique extension térahertz verTera pour le spectromètre sous vide VERTEX 80v. Avec la fonctionnalité verTera, le célèbre VERTEX 80v devient le premier et le seul spectromètre combiné FTIR/THz à onde continue au monde avec des possibilités étonnantes. Une plage spectrale allant jusqu'à 3 cm^-1 (0,09 THz) peut être couverte sans avoir besoin de composants refroidis cryogéniquement.

Des possibilités intéressantes avec l'extension verTera pour VERTEX 80v

• Technologie THz cw de pointe intégrée
• Plage spectrale jusqu'à 3 cm^-1 (0,09 THz)
• Résolution spectrale effective supérieure à 0,0007 cm^-1 (supérieure à 20 MHz)
• Même compartiment échantillon et accessoires pour IRTF et THz
  Performances THz les plus élevées grâce au vide et à l'algorithme THz unique
• Mesure de la transmittance, de la réflectance et de l'ATR
• Prêt à mesurer par simple pression sur un bouton (pas de temps de préparation)
• Mode FT-IR et THz contrôlé via le puissant logiciel OPUS
  

Pourquoi et quand le couplage de l’ultra-vide (UHV) et la technique IRTF est-elle nécessaire ?

Les sujets de recherche nécessite des conditions définies très précisément (comme la pression, la concentration, la température, etc.) pour étudier les systèmes modèles et mieux comprendre les processus réels.

L'échantillon lui-même doit être nettoyé, préparé, modifié et/ou conservé dans des conditions UHV.

D'autres techniques d'analyse combinées (comme XPS, LEED, TDS, etc.) dans les projets de recherche interdisciplinaires nécessitent de préférence des conditions UHV.

Non seulement les chambres UHV, mais aussi les chambres à plasma, les chambres à haute pression ou d'autres chambres de réaction volumineuses personnalisées peuvent être combinées avec la technique IRTF.

La spectroscopie IRTF peut être ajoutée comme technique d'analyse complémentaire non destructive et hautement sensible à une installation UHV ou adaptée à diverses chambres personnalisées.

Les spectromètres de recherche sous vide de la série IRTF VERTEX  Bruker, le VERTEX 80v et VERTEX 70v, avec une disposition optique sous vide complète, offrent une sensibilité, une stabilité et une reproductibilité supérieures à celles des spectromètres purgés, car l'intégralité du trajet du faisceau peut être évacuée pour éviter les perturbations atmosphériques et environnementales. Le spectromètre sous vide VERTEX 80v, en particulier, est la référence absolue pour les applications IRTF haut de gamme et les adaptations UHV, permettant de mesurer des bandes faibles jusqu'à 10^-5 AU (unités d'absorption) et même au-delà. De plus, l'adaptation des chambres à vide avec des spectromètres sous vide est techniquement plus efficace et plus fiable.

Bruker possède une grande expérience dans ce domaine d'application exigeant et propose des solutions UHV IRTF spécialisées. Nous avons installé avec succès des adaptations pour différents systèmes UHV fabriqués par divers fournisseurs UHV. Nous sommes en mesure de proposer des solutions flexibles pour adapter des chambres UHV de différentes dimensions et conceptions.

Pour comprendre pleinement les défis de votre application et répondre à vos exigences expérimentales individuelles, nous vous fournissons le questionnaire UHV IRTF pour mieux exprimer vos besoins et permettre une communication fluide et efficace.

La technique Step-Scan permet de surveiller la progression temporelle d'événements reproductibles très rapides. Le miroir de l'interféromètre se déplace successivement vers les différents points de l'interférogramme, où l'expérience répétable est relancée. Tous les spectromètres de la série VERTEX peuvent obtenir de superbes données résolues dans le temps et des taux de pas supérieurs, essentiels à la faisabilité expérimentale.

Grâce à son interféromètre UltraScan^TM et à la gamme complète d'avantages du vide, le VERTEX 80v est largement accepté par la communauté des chercheurs, offrant des performances de Step-Scan inégalées et un contrôle du scanner très précis.

Pourquoi le vide est-il important pour la technique de Step-Scan ?

Les spectromètres VERTEX 80 et VERTEX 80v permettent d'obtenir une précision de positionnement mécanique du miroir de balayage supérieure à 1 nm. Dans un tel ordre de grandeur, les plus petites variations de température d'environ 0,1 K entraînent des variations supplémentaires du trajet optique d'environ 9 nm. Comme de telles fluctuations ne peuvent jamais être exclues dans un instrument purgé, seuls les spectromètres sous vide peuvent atteindre des précisions efficaces du signal de l'ordre du nm.

En combinant l'avantage du vide et l'interféromètre UltraScan unique, le VERTEX 80v est donc le seul système commercial à atteindre une précision de positionnement efficace < 1 nm. De plus, il atteint les taux de pas les plus élevés, jusqu'à 50 pas/s, avec un impact important sur la durée de mesure complète et la faisabilité générale des expériences.

Performances du Step Scan incomparables du VERTEX 80v

• Taux de pas le plus élevé jusqu'à 50 pas par seconde
• Précision de positionnement mécanique et efficace pour le miroir de balayage supérieure à 1 nm
• Meilleures performances pour la spectroscopie à résolution temporelle et à modulation d'amplitude/phase
• Résolution temporelle de 6 µs en utilisant un ADC standard interne 24 bits
• Résolution temporelle jusqu'à la plage basse des nsec avec une carte d'enregistrement transitoire, un détecteur rapide et un préamplificateur rapide

Il existe différents modes de fonctionnement des expériences Step Scan.

La spectroscopie Step Scan résolue dans le temps est utilisée pour suivre des réactions ou des processus très rapides et répétables, par exemple l'émission spectrale et la durée d'impulsion d'un laser, comme illustré sur la figure.

L'acquisition de données par paliers résultant en une matrice de points d'interférogramme permet d'obtenir simultanément la résolution spectrale et la résolution temporelle les plus élevées.

La technique Step Scan en modulation d'amplitude peut être utilisé pour mettre en évidence des signaux faiblement modulés par rapport à d'autres signaux environnants, car il est appliqué à la mesure de la photoluminescence dans la région de l'infrarouge moyen (pour plus de détails, voir l'exemple d'application MIR PL).

La technique Step Scans en modulation de phase est par exemple nécessaire pour le profilage de profondeur en spectroscopie photoacoustique.

La photoluminescence (PL) est une méthode d'analyse importante dans les sciences des matériaux/semiconducteurs et l'optoélectronique. Dans la gamme spectrale infrarouge, la sensibilité de la technique IRTF est nettement supérieure à celle des spectromètres dispersifs. Bruker a des décennies d'expérience dans la fourniture de solutions PL puissantes avec les spectromètres de recherche IRTF.

Pour la PL NIR, les faibles absorptions atmosphériques de vapeur d'eau et de CO2 ne constituent pas un problème majeur, de sorte que les spectromètres IRTF sous vide ne sont pas nécessairement nécessaires.

Dans la région MIR, deux défis supplémentaires se posent pour les expériences PL. Tout d'abord, l'absorption atmosphérique est nettement plus forte. Étant donné que les mesures PL impliquent généralement une spectroscopie à canal unique, il n'existe aucune mesure de référence pour compenser la majeure partie des artefacts atmosphériques.

Deuxièmement, le détecteur PL refroidi au LN2 est sensible au rayonnement de fond thermique MIR 300 K, qui masquera les faibles signaux PL MIR. De ce fait, Le Step Scan en modulation d'amplitude doit être utilisé pour éliminer la contribution perturbatrice du fond thermique.

Dasn cette application, une excitation laser modulée est appliquée, ce qui nécessite à son tour une acquisition de données en Step Scan. En conséquence, le signal PL sera également modulé avec la fréquence de modulation connue du laser d'excitation. En utilisant une électronique "double canal" et des techniques de Lock-In, le signal PL modulé est ensuite amplifié tandis que le fond thermique constant et indésirable est supprimé et filtré.

En raison des deux points ci-dessus, les spectromètres sous vide avec le module PL sous vide dédié sont fortement recommandés pour les expériences PL MIR. Étant donné que l'ensemble du trajet du faisceau est sous vide, l'absorption atmosphérique peut être complètement éliminée. De plus, les spectromètres sous vide et en particulier le VERTEX 80v ont les meilleures performances de Step-Scan pour les expériences à modulation d'amplitude afin de supprimer le fond thermique.

Les couches ultra-minces sur des substrats métalliques ou diélectriques peuvent être caractérisées en réflexion à l'aide de la technique IRTF. En raison des règles de sélection de surface sur les substrats métalliques, la lumière polarisée -S ne peut pas interagir avec les molécules d'adsorbat indépendamment des angles d'incidence, tandis que la lumière polarisée -P atteint le maximum d'absorption à un angle d'incidence rasant. Par conséquent, les couches ultra-minces sur des substrats métalliques seront mesurées par réflexion à incidence rasante (GIR) ou spectroscopie d'absorption par réflexion infrarouge (IRRAS) en utilisant un angle d'incidence d'environ 80°.

Les choses deviennent moins évidentes en passant aux substrats non métalliques, car la lumière polarisée -P et -S peut être absorbée par les couches minces. L'intensité des bandes d'absorption varie en fonction de l'angle d'incidence. Les bandes peuvent même passer du négatif au positif et vice versa en changeant l'angle d'incidence ou la polarisation. Pour caractériser complètement une couche mince sur des substrats diélectriques, des mesures utilisant au moins deux angles d'incidence et avec les deux polarisations doivent être effectuées et la transmittance peut également être une approche précieuse.

Les couches ultra-minces présentent généralement des bandes d'absorption très faibles dans les spectres IRRAS, par exemple allant jusqu'à 10^-3 AU (unité d'absorption) pour une couche monomoléculaire d'une épaisseur de quelques nanomètres ou même 10^-5 AU sur un substrat diélectrique. Pour de telles faibles bandes d'absorption, la sensibilité maximale de l'instrument est requise. Dans l'image de droite, les spectres IRRAS d'une monocouche auto-assemblée sur un substrat Au sont comparés. Le spectre bleu montre le résultat mesuré dans un spectromètre purgé VERTEX 70. L'absorption de vapeur d'eau résiduelle masque les bandes d'absorption faibles de l'échantillon dans la région de l'empreinte digitale. Après avoir appliqué la fonction de compensation automatique de la vapeur d'eau et du CO2 dans le logiciel OPUS, le spectre rouge sera reçu.

Quoi qu'il en soit, seul le résultat mesuré dans un spectromètre sous vide VERTEX 70v (spectre vert) montre une ligne de base très lisse, en particulier dans les régions de perturbation atmosphérique autour de 3700 cm^-1, 2300 cm^-1 et 1600 cm^-1. De plus, le spectre mesuré dans le spectromètre sous vide est un résultat purement expérimental sans manipulation mathématique ultérieure des données comme cela a été fait pour le spectre rouge.

Les recherches en électrochimie sont un sujet très en vogue dans la recherche fondamentale et appliquée. La tendance mondiale à l'augmentation de la consommation d'énergie a récemment nécessité le développement de dispositifs de stockage d'énergie, par exemple des batteries rechargeables de grande capacité et de faible poids.

En biochimie ou en catalyse, l'électrochimie revêt également une grande importance pour comprendre les réactions redox et le comportement des catalyseurs. La combinaison de la spectroscopie IRTF et de l'électrochimie offre un aperçu des changements moléculaires et du processus de réaction des molécules étudiées, en plus de la réponse électrochimique de l'expérience.

L'unité de réflexion Bruker pour cellules électrochimiques permet à la fois de mesurer par réflexion les changements à la surface de l'électrode de travail et de mesurer par ATR les électrolytes. Dans le cas de l'unité de réflexion pour spectromètres sous vide, l'ensemble du trajet du faisceau IR est sous vide.

De plus, l'utilisateur a un accès complet à la cellule électrochimique depuis le haut de l'unité, où la cellule est adaptée, sans avoir besoin d'ouvrir le compartiment à échantillon et de rompre le vide. Elle offre aux utilisateurs la possibilité de changer la solution électrolytique ou les électrodes pour des mesures répétées ou en série, tout en maintenant les autres conditions expérimentales et de mesure constantes. De plus, une sensibilité et un rapport signal/bruit plus élevés peuvent être obtenus à l'aide d'un spectromètre sous vide, en particulier dans la région des empreintes digitales, en raison de l'absence de perturbations atmosphériques.

Dans de nombreuses études en électrochimie, la réponse électrochimique rapide et la cinétique de réaction sont au centre de l'intérêt. Pour suivre les étapes de potentiel rapide et collecter un spectre IRTF à chaque valeur de potentiel appliquée, juste après l'équilibre mais avant que le potentiel ne soit à nouveau modifié pour l'étape suivante, le Rapid Scan est fortement recommandé et dans de nombreux cas obligatoire.

Le résultat est présenté dans une vue OPUS 3D, montrant non seulement le changement le long de l'axe des nombres d'ondes mais aussi en fonction du potentiel. Dans le graphique 3D, un exemple de résultat d'une réaction redox est présenté. Dans ce graphique, le changement d'absorption de différentes bandes vibrationnelles pendant la mesure par rapport au potentiel dépendant du temps est surveillé. La référence a été mesurée une fois au tout début de l'expérience. Par conséquent, dans un spectromètre IRTF purgé, l'utilisateur verra probablement également le changement de l'absorption atmosphérique pendant toute l'expérience électrochimique interférant avec le signal d'intérêt.

Bien que la compensation atmosphérique puisse être appliquée par post-traitement logiciel, le résultat d'une mesure sous vide réelle sera toujours supérieur aux données post-traitées d'un spectromètre purgé. Si un spectromètre sous vide est utilisé, l'utilisateur n'a plus à se soucier des perturbations atmosphériques et des fluctuations des conditions de purge. Aucune manipulation ultérieure des données ne sera nécessaire, ce qui garantit une sensibilité et une stabilité maximales pour vos travaux de recherche.

Les spectromètres sous vide de la série VERTEX, les VERTEX 80v et VERTEX 70v démontrent leur supériorité dans divers autres domaines d'application :

• Spectroscopie à basse température
• Science des semi-conducteurs/matériaux
• Spectroscopie d'isolement de matrice
• Physique du solide
• Développement de métamatériaux
• Caractérisation des détecteurs
• Caractérisation des sources