Photothermal induced resonance (PTIR), a technique that combines infrared absorption spectroscopy and atomic force microscopy allowing for chemical imaging at the nanoscale, arose to general interest over the last few years as a powerful alternative to techniques such as scanning near-field optical microscopy (SNOM) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). Only a few studies exist on the subject and the purpose of this thesis is to contribute in compensating such a lack. The technique consists in measuring the local sample expansion due to the resonant absorption of IR light, thus allowing for nanoscale chemical mapping. With reference to a set of experiments conducted at the Sapienza University of Rome, the photothermal expansion of polymer samples after the absorption of infrared light has been thoroughly studied by combining finite-difference electromagnetic simulations in the time domain with finite-element thermal simulations. The samples analysed are Poly(methyl methacrylate) (PMMA) films of different thickness (which goes from 5 nm to 320 nm), deposited onto a 30 nm thick gold layer, which is in turn deposited onto a substrate. In some simulations the PMMA is directly deposited onto the substrate, without the gold layer in between. Infrared light is incident onto the sample and the electric field is focused into the small volume between the sample and the tip of the atomic force microscope, operating in contact mode. The lateral resolution of the technique and the dependence of the thermal response of the system on the sample thickness are thoroughly investigated. The role of the refractive index of the substrate and of the gold layer is also studied and the relative part played by the heating up of the tip and of the sample (and of the gold layer, if any) in the thermal response of the whole system is revealed. Finally, the exploitation of plasmonic tips in order to obtain a better confinment of the electric field (and therefore a better resolution) is briefly anticipated.
La tecnica PTIR, dall'inglese photothermal induced resonance, permette di ottenere mappe chimiche di campioni con risoluzione nanometrica e costituisce una potente alternativa a tecniche quali SNOM (scanning near-field optical microscopy) e FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy). La tecnica nasce dalla combinazione di spettroscopia di assorbimento infrarosso e microscopia a forza atomica. Gli studi esistenti sull'argomento sono pochi e questa tesi ha l'aspirazione di contribuire, almeno in parte, a sopperire a questa mancanza. La tecnica PTIR misura l'espansione locale del campione in seguito all'assorbimento risonante di radiazione infrarossa, consentendo una mappa chimica del campione alla nanoscala. Facendo riferimento a una serie di esperimenti effettuati presso Università di Roma La Sapienza, l'espansione fototermica di campione polimerici in seguito all'assorbimento di radiazione infrarossa è analizzata nel dettaglio combinando simulazioni elettromagnetiche alle differenze finite nel dominio del tempo e simulazioni termiche agli elementi finiti. I campioni analizzati sono dei film di polimetilmetacrilato (PMMA) di spessore variabile tra 5 nm e 320 nm, depositati su un film d'oro di 30 nm, a sua volta depositato su un substrato. In alcune simulazioni il film di PMMA è depositato direttamente sopra il substrato, senza il layer d'oro nel mezzo. Sul campione viene indirizzata luce infrarossa e il campo elettrico risulta confinato nel volume tra il campione e la punta del microscopio a forza atomica, il quale opera a contatto. La risoluzione laterale della tecnica e la dipendenza della risposta termica del sistema dallo spessore del campione sono analizzate nel dettaglio. Sono studiati inoltre il ruolo dell'indice di rifrazione del substrato e del film di oro e il ruolo relativo giocato dal riscaldamento della punta e del campione nella risposta termica del sistema. Infine, la possibilità di ottenere un maggiore confinamento del campo elettrico (e presumibilmente una migliore risoluzione) sfruttando l'impiego di punte plasmoniche verrà brevemente discussa.
Coupled electromagnetic and thermal simulations of photothermal induced resonance
FIGLIOLIA, ISABELLA MARIA
2015/2016
Abstract
Photothermal induced resonance (PTIR), a technique that combines infrared absorption spectroscopy and atomic force microscopy allowing for chemical imaging at the nanoscale, arose to general interest over the last few years as a powerful alternative to techniques such as scanning near-field optical microscopy (SNOM) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). Only a few studies exist on the subject and the purpose of this thesis is to contribute in compensating such a lack. The technique consists in measuring the local sample expansion due to the resonant absorption of IR light, thus allowing for nanoscale chemical mapping. With reference to a set of experiments conducted at the Sapienza University of Rome, the photothermal expansion of polymer samples after the absorption of infrared light has been thoroughly studied by combining finite-difference electromagnetic simulations in the time domain with finite-element thermal simulations. The samples analysed are Poly(methyl methacrylate) (PMMA) films of different thickness (which goes from 5 nm to 320 nm), deposited onto a 30 nm thick gold layer, which is in turn deposited onto a substrate. In some simulations the PMMA is directly deposited onto the substrate, without the gold layer in between. Infrared light is incident onto the sample and the electric field is focused into the small volume between the sample and the tip of the atomic force microscope, operating in contact mode. The lateral resolution of the technique and the dependence of the thermal response of the system on the sample thickness are thoroughly investigated. The role of the refractive index of the substrate and of the gold layer is also studied and the relative part played by the heating up of the tip and of the sample (and of the gold layer, if any) in the thermal response of the whole system is revealed. Finally, the exploitation of plasmonic tips in order to obtain a better confinment of the electric field (and therefore a better resolution) is briefly anticipated.| File | Dimensione | Formato | |
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