Advanced vibrational spectroscopy in surface analysis

Abstract

In this licentiate thesis work a new non-destructive surface analysis method is introduced, which for the first time is based on total internal reflection (TIR) Raman spectroscopy and attenuated total reflectance infrared (ATR-IR) techniques. Together with the total internal reflection phenomenon, capable to acquiring information concerning the different molecular species present, the method creates opportunities to exploit new advanced applications. Over the past decades ATR-IR spectroscopy has become a well-known and routine method, and widely utilized in many laboratories, whereas the potential of TIR Raman spectroscopy has largely been neglected and therefore not fully exploited to date due to the predominant interest in other techniques, such as surface enhanced Raman spectroscopy (SERS).

The principle of the method is illustrated in the first publication applied to the measurement of thin and ultra-thin polymer films (<100 nm). The technique was found to be an essential tool in analysing multi-layered polymer films, which have a soft substrate as the underlying layer.

The separation/removal of ink components within a set thin offset ink film, following absorption into a porous coated paper substrate, is analysed in the second publication. Although the pore size distribution of the substrate was larger than the used probe depth the techniques provided information, regarding the retained portion of components in the ink film, which is an important advantage for paper design and print quality improvement. Critical design parameters, such as the required definition of providing sufficient capillary-driven offset ink component separation during setting, can be monitored to minimize the potential for printed image smearing and so to maximize the print rub resistance.

Tässä lisensiaattitutkimuksessa esitellään ensimmäistä kertaa uusi pintojen analysointimenetelmä, joka perustuu valon kokonaisheijastumista hyödyntävään TIR Raman spektroskopiaan sekä infrapunavalon vaimenemista mittaavaan ATR-IR spektroskopiaan. Menetelmät mahdollistavat yhdessä kokonaisheijastavan valon ominaisuuksien avulla aineen pintakerroksien molekyylitasoisen tarkastelun, joka antaa mahdollisuuksia uusien sovellusten kehittämiseen. Viimeisten vuosikymmenien aikana ATR-IR spektroskopiaa on ollut laajasti käytössä ja sitä on hyödynnetty rutiininomaisesti useissa laboratorioissa, mutta TIR Raman spektroskopian mahdollisuuksia ei ole täysin hyödynnetty, koska kiinnostus muihin raman-spektroskopiaa hyödyntäviin tekniikoihin, kuten signaalia vahvistavaan SERS spektroskopiaan, on ollut suurempi.

Menetelmä esitellään ensimmäisessä työhön sisälletyssä julkaisussa sovellettaessa sitä hyvin ohuiden (<100 nm) polymeerikalvojen paksuuden määrittämiseen. Tekniikan todetaan soveltuvan erityisen hyvin pehmeiden monikerroksisten polymeerikalvojen paksuuden analysointiin.

Toisessa julkaisussa analysoidaan painatuksen jälkeistä offset -värikomponenttien separoitumista ja keskinäisten määräosuuksien muuttumista huokoisille päällystetyille papereille painetuissa ohuissa kerroksissa. Vaikka huokoskokojakauman laajuus oli suurempi kuin käytettyjen menetelmien mittaussyvyys, saatu informaatio pinnalle jääneistä komponenteista on hyödyllistä paperin valmistuksen sekä painatusprosessien kehittämisessä. Menetelmän avulla voidaan seurata laadun kannalta tärkeitä muuttujia, kuten kapillaarisesti separoituvien aineosien todellisia määriä painovärin asettuessa paperille, mikä. auttaa minimoimaan mahdollisen tahraantumisen sekä maksimoimaan hankauskestävyyden.