FTIR分析應用與配件介紹

矽晶圓、薄膜、塊材、藥錠皆可進行表面分析

本文提及的配件分類如下

固體:ATR衰減式全反射、Diffuse Reflection漫反射、Specular Reflection鏡面反射、optical fiber光纖探頭

液體:ATR衰減式全反射、多點反射式ATR、Pearl穿透式定性定量配件

氣體:Gas Cell穿透式氣體樣品槽

特殊應用:TGA-IR熱重分析儀串聯模組、FTIR-Microsope紅外光顯微鏡

FTIR常用配件整理(可直接點選左列配件名稱觀看說明)

※以下列表若未提及您的樣品種類,或想進一步了解分析方法,請點選網頁「右下角的聯絡我們」進行洽詢。

配件名稱 樣品分類 樣品類型

ATR(Attenuated total reflection)

衰減式全反射

固體

液體

粉末、薄膜、塊材表面分析

例如:塑膠、油漆、橡膠

Diffuse Reflection

漫反射

固體

例如:粉末、藥錠、漆料、聚合物

Specular Reflection

鏡面(高光)反射

固體

例如:矽晶圓(金屬表面汙染物)、
超薄薄膜、單分子層

Multiple-reflection ATR

多點反射式ATR

液體

適用於濃度較稀的樣品

例如:(潤滑)油品分析與定量

Gas Cell

穿透式氣體樣品槽

氣體

適用於濃度介於ppb至%氣態樣品分析

例如:汽車廢氣排放、產線氣體分析、工廠廢氣排放

Pearl

穿透式定性定量配件

液體

適用於液態樣品定性與定量

例如:易揮發性液體

 Automated Wafer Analysis System

自動化晶圓分析系統

晶圓專用

適用於半導體晶圓廠缺陷碳氧分析、磊晶層厚度分析

(Epitaxial Film Thickness measurement)

Optical fiber

光纖探頭

固體

適用於無法破壞且無法放入FTIR樣品室的樣品

例如:皮膚、畫作等

TGA-FTIR

熱重分析儀串聯模組

固體

適用於聚合物配方開發與品管(polymer deformulation)

FTIR-Microsope

紅外光顯微鏡

固體

適用於固態樣品表面微米(micro-meter)的汙染物或表面分布分析

ATR(Attenuated total reflection)|衰減式全反射

量測原理

ATR
光源路徑示意圖

將可穿透IR光的晶體與樣品接觸,進行一次反射,對材料表面進行紅外線光譜量測的快速分析方式

ATR為目前使用率最廣泛的FTIR配件樣品幾乎不需要經過前處理,就可以直接透過這個技術取得樣品的FTIR光譜,相較於過去KBr打錠以及零件繁複的Liquid-cell液體穿透槽,便利性大幅提升。例如粉末與薄膜,可以透過配件壓力桿加壓使樣品接觸晶體,液體則直接滴加約莫100µL於晶體上即可以進行分析。

ATR FTIR配件外觀

適用於:液體、粉末、薄膜、塊材表面分析

例如:塑膠、油漆、橡膠

※特殊ATR配件還可以進行溫度變化的控制,或是應用於Stop-flow反應實驗研究。

Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy(DRIFT)|漫反射配件

量測原理

樣品上的入射光可能會導致表面的單次反射(鏡面反射)或多次反射,從而收集在大範圍內產生漫散射光

reference:https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/diffuse-reflectance-infrared-fourier-transform-spectroscopy

針對粉末或是表面不均勻的薄膜,或是前處理上相對比較困難的固體所設計的分析配件。多半Diffuse配件具備可以進行樣品環境(例如:溫度、通入惰氣)的控制以應用於了解固體之間的催化反應或是樣品受到溫度變化的影響。

Diffuse Reflection
DRIFT FTIR配件外觀

適用於:單一或多種粉末混和的樣品

例如:藥錠、漆料、聚合物

Specular Reflection|鏡面(高光)反射

不同角度的入射光針對反射物質上的超薄薄膜或是用於瞭解單分子層的光學特性。Grazing angle Reflection又稱為掠角(飛角)反射也屬於這個技術的一環,在極端的80度角進行分析,搭配偏極片(Polarizer)可以顯示出樣品表面的光學方向性。藉由下圖我們可以了解鏡面反射的研究,具備樣品表面的反射與吸收特性。學術上稱之為IRRAS, Infrared reflection absorption spectroscopy,在結合極化(Polarization)效果之後,即為PM-IRRAS。

Specular Reflection Accessory
Specular Reflection FTIR 配件外觀

適用於:金屬表面汙染物分析(例如:矽晶圓)、超薄薄膜分析(Ultra thin film)、單分子層(mono molecular layer)研究

Multiple-reflection ATR|多點反射式ATR

量測原理

Multiple-reflection ATR

將可穿透IR光的晶體與樣品接觸,進行多次反射,對材料表面進行紅外線光譜量測的快速分析方式

在ATR分析如果遇到樣品的FTIR光譜訊號不夠強的時候,可以使用多點反射ATR配件來增強樣品的FTIR光譜訊號。主要應用於研究液態樣品中的雜質,例如:潤滑油中的水分、氧化劑、氮硫化合物等雜質的品質分析。

Multiple-reflection ATR
多點反射式ATR FTIR配件外觀

適用於:液體樣品、(潤滑)油品分析與定量

Pearl液態樣品穿透式量測配件

特別的點在於整個配件只有兩個零件,相較於傳統液體穿透配件(Liquid cell)動輒9個以上的零件,外加需要時間熟練組合,樣品之間的清潔也需要花費五倍以上的光譜分析時間。

配件操作說明影片

適用於:液態樣品定性與定量

Gas Cell 穿透式氣體樣品槽

依據分析氣體的濃度與種類而選擇不同的光徑與材質,也有根據溫度變化進行控制的類型。

氣體分析配件的長度從10cm到10M不等,越低濃度的分析需要越長的光徑。材質的選擇主要是壓力與分析氣體腐蝕性的考量。

Gas Cell

適用於:氣態樣品分析(ppb to %)

※特殊應用:汽車廢氣排放、產線氣體分析、工廠廢氣排放

Automated Wafer Analysis System自動化晶圓分析系統

可以使用鏡面反射或穿透模式執行採集樣品數據。用於晶圓面掃描分析的全自動配件,該配件安裝在大多數全尺寸 FTIR 儀器的樣品室內。它可以分析直徑達 12吋晶圓。 

pike map300

適用於:半導體晶圓廠缺陷碳氧分析、磊晶層厚度分析

Remote Sampling光纖量測模組

FTIR分析有機會遇到樣品因為太大或是完全無法破壞而無法放入或導入FTIR的配件之中,這時候你可以把紅外線光導出來,以光纖探頭的形式接觸樣品的表面。

Remote Sampling

適用於:皮膚、畫作等無法破壞且無法放入FTIR樣品室的樣品

Thermal gravity analysis FTIR(TGA-FTIR)|熱重力分析或熱重量分析技術串聯FTIR

量測原理

TGA

將TGA實驗中連續升溫所產生的氣體導至FTIR樣品槽進行成分分析

過去應用於了解化合物或是商品中不同成分的比例,加上FTIR的分析能力之後,可以得知每一個階段損失的化合物可能是什麼有機化合物,在紀錄完整的量測過程之後,搭配資料庫與軟體的演算,達到產品配方的研究。特別是在聚合物的配方品管分析,可以得知產品在應用時,為何無法達到預期的效果。了解儀器設計特色

TGA-FTIR
TGA FTIR儀器及配件外觀

適用於:聚合物配方開發與品管(polymer deformulation)

FTIR-Microscope 紅外光顯微鏡

量測原理

FTIR-Microscope

將顯微鏡與紅外光結合,利用光圈(Apture)大小,控制測量區域的範圍

研究人員或是品管人員希望可以分析微米(micro-meter)尺寸的樣品。過去紅外線顯微鏡作為FTIR主機的配件,需要將光源導出,對於整個光學系統的校準需要具備經驗的工程師進行優化,此外分析流程除了紅外線光譜分析之外,還需要考慮到背景光譜的收集以及樣品的對焦等,這些在特別為顯微紅外線光譜分析所設計的機型可以更加流暢。了解儀器設計特色

FTIR-Microscope
顯微FTIR儀器及配件外觀

適用於:固態樣品表面微米(micro-meter)的汙染物或表面分布分析