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Normal für die Raman-Mikroskopie

Bildgebende Spektrometrie kombiniert mit dimensioneller Metrologie

PTB-News 3.2015
01.10.2015
Besonders interessant für

Hersteller und Anwender von Raman-Mikroskopen

Metrologieinstitute

Qualitätssicherung und Prozesskontrolle (Pharmazie, Halbleiterindustrie)

Ein in der PTB entwickeltes Normal für die dimensionelle Kalibrierung von Raman-Mikroskopen gestattet sowohl die laterale Kalibrierung der Scan-Einrichtung als auch die Bestimmung der optischen Auflösung. Die quantitative Auswertung von Raman-Mappings wird damit zur rückgeführten chemischen Oberflächenanalytik.

Silizium-Chip mit Feldern unterschiedlicher Kalibrierstrukturen (links); Raman-Mapping eines schachbrettartigen Musters mit einer nominalen Periodizität von 2 µm (rechts). Anhand von Profilen der Raman-Signalintensität des Siliziums in horizontaler und vertikaler Richtung (gestrichelte Linien) werden Kalibrierfaktoren für die (x, y)-Positioniereinheit des Raman-Mikroskops bestimmt.

In der Raman-Spektroskopie werden durch Laserlicht charakteristische Schwingungen in Molekülen angeregt. Das gestreute Licht enthält rotverschobene Wellenlängen (Stokes-Linien) die mit einem Spektrometer gemessen und zur Identifikation der Moleküle verwendet werden. Die konfokale Raman-Spektrometrie ist als ortsaufgelöste oberflächenanalytische Methode in der chemischen Analytik sowie zur Qualitäts- und Prozesskontrolle inzwischen weit verbreitet. Sie ist ein nicht-invasives, bildgebendes Verfahren, bei dem mit einer Ortsauflösung von unter 1 µm die Proben-oberfläche Punkt für Punkt abgerastert wird. Dabei wird jedem Messpunkt ein vollständiges Raman-Spektrum zugeordnet, sodass durch Auswertung einzelner substanzspezifischer Banden eine zweidimensionale Darstellung der Oberflächenzusammensetzung („Raman-Mapping“) entsteht. Bezieht man Schrittweite und Anzahl der Messpunkte in die Auswertung ein, so lassen sich z. B. Domänengröße oder Bedeckungsgrad der detektierten Komponenten quantitativ bestimmen.

Ein grundlegender Aspekt der ortsaufgelösten Raman-Mikroskopie ist die Verbindung von chemischer und dimensioneller Metrologie. Für die Rückführung der Messergebnisse auf das Internationale Einheitensystem (SI) ist daher sowohl ein chemisches als auch ein dimensionelles Normal erforderlich. Während Referenzspektren zahlreicher Substanzen entweder aus Datenbanken entnommen oder mithilfe von Referenzmaterialien erzeugt werden können, stand ein auf die Anforderungen der Raman-Mikroskopie abgestimmtes dimensionelles Normal bisher nicht zur Verfügung.

Ein solches Normal wurde in der PTB entwickelt und zum Patent angemeldet. Es besteht aus einem Chip aus Silizium (einem Material hoher Raman-Aktivität), auf dessen Oberfläche einzelne Flächen mit einer dünnen Au/Pd-Schicht abgedeckt wurden, sodass Bereiche, die ein intensives Raman-Signal hervorrufen, scharf abgegrenzt sind von Bereichen abgeschwächter Raman-Intensität. In getrennten Feldern entstanden so ein- und zweidimensionale Strukturen (Gitter, Schachbrettmuster) unterschiedlicher Periodizität (4 µm bis 0,8 µm) sowie einzeln und paarweise angeordnete Punktstreuzentren (Kreise) verschiedener Größe (10 µm bis 0,1 µm). Damit lassen sich sowohl die beiden lateralen Hauptachsen der (x, y)-Positioniereinheit simultan und unter den Bedingungen der späteren Probenmessung kalibrieren als auch die optische Auflösung des Raman-Mikroskops für verschiedene Gerätekonfigurationen bestimmen. Die Rückführung der dimensionellen Größen auf die SI-Einheit Meter erfolgte mit einem kalibrierten Rasterkraftmikroskop.
Für das neue Normal wird derzeit ein Lizenzpartner gesucht.

Ansprechpartner

Rainer Stosch
Fachbereich 3.1 Metrologie in der Chemie
Telefon: (0531) 592-3140
E-Mail: rainer.stosch@ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

S. Zakel, B. Pollakowski, C. Streeck, S. Wundrack, A. Weber, S. Brunken, R. Mainz, B. Beckhoff, R. Stosch: Traceable quantitative raman microscopy and X-ray fluorescence analysis as non-destructive methods for the characterization of Cu(In,Ga)Se2 absorber films. Applied Spectroscopy (2015), akzeptiert