Abstract

We combined sum-frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy with coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy in one system to examine both surface and bulk structures of materials with the same geometry and without the need to move the sample. Poly(methyl methacrylate) (PMMA) and polystyrene (PS) thin films were tested before and after plasma treatment. The sensitivities of SFG and CARS were tested by varying polymer film thickness and using a lipid monolayer.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Z. Chen, Y. R. Shen, and G. A. Somorjai, Annu. Rev. Phys. Chem. 53, 437 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
    [CrossRef]
  3. X. Zhuang, P. B. Miranda, D. Kim, and Y. R. Shen, Phys. Rev. B 59, 12632 (1999).
    [CrossRef]
  4. S. Baldelli, Acc. Chem. Res. 41, 421 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. M. W. Urban, Vibrational Spectroscopy of Molecules and Macromolecules on Surfaces (Wiley, 1993).
  6. Z. D. Schultz, M. C. Gurau, and L. J. Richter, Appl. Spectrosc. 60, 1097 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
    [CrossRef]
  8. E. O. Potma and X. S. Xie, J. Raman Spectrosc. 34, 642(2003).
    [CrossRef]
  9. J. Cheng, L. D. Book, and X. S. Xie, Opt. Lett. 26, 1341(2001).
    [CrossRef]
  10. J. Wang, C. Chen, S. M. Buck, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 105, 12118 (2001).
    [CrossRef]
  11. K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Langmuir 16, 4528 (2000).
    [CrossRef]
  13. K. T. Nguyen, S. V. Le Clair, S. Ye, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 113, 12358 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. R. G. Snyder, S. L. Hsu, and S. Krimm, Spectrochim. Acta 34A, 395 (1978).
  15. J. Wang, Z. Paszti, M. L. Clarke, X. Chen, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 111, 6088 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]

2009 (1)

K. T. Nguyen, S. V. Le Clair, S. Ye, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 113, 12358 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

2008 (1)

S. Baldelli, Acc. Chem. Res. 41, 421 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

2007 (1)

J. Wang, Z. Paszti, M. L. Clarke, X. Chen, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 111, 6088 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

2006 (1)

2003 (2)

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

E. O. Potma and X. S. Xie, J. Raman Spectrosc. 34, 642(2003).
[CrossRef]

2002 (1)

Z. Chen, Y. R. Shen, and G. A. Somorjai, Annu. Rev. Phys. Chem. 53, 437 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

2001 (2)

J. Cheng, L. D. Book, and X. S. Xie, Opt. Lett. 26, 1341(2001).
[CrossRef]

J. Wang, C. Chen, S. M. Buck, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 105, 12118 (2001).
[CrossRef]

2000 (2)

K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Langmuir 16, 4528 (2000).
[CrossRef]

1999 (2)

X. Zhuang, P. B. Miranda, D. Kim, and Y. R. Shen, Phys. Rev. B 59, 12632 (1999).
[CrossRef]

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

1993 (1)

M. W. Urban, Vibrational Spectroscopy of Molecules and Macromolecules on Surfaces (Wiley, 1993).

1978 (1)

R. G. Snyder, S. L. Hsu, and S. Krimm, Spectrochim. Acta 34A, 395 (1978).

Baldelli, S.

S. Baldelli, Acc. Chem. Res. 41, 421 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Book, L. D.

Buck, S. M.

J. Wang, C. Chen, S. M. Buck, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 105, 12118 (2001).
[CrossRef]

Chen, C.

J. Wang, C. Chen, S. M. Buck, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 105, 12118 (2001).
[CrossRef]

Chen, X.

J. Wang, Z. Paszti, M. L. Clarke, X. Chen, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 111, 6088 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Chen, Z.

K. T. Nguyen, S. V. Le Clair, S. Ye, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 113, 12358 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

J. Wang, Z. Paszti, M. L. Clarke, X. Chen, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 111, 6088 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Chen, Y. R. Shen, and G. A. Somorjai, Annu. Rev. Phys. Chem. 53, 437 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

J. Wang, C. Chen, S. M. Buck, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 105, 12118 (2001).
[CrossRef]

Cheng, J.

Clarke, M. L.

J. Wang, Z. Paszti, M. L. Clarke, X. Chen, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 111, 6088 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Dhinojwala, A.

K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
[CrossRef] [PubMed]

Dougal, S. M.

K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Langmuir 16, 4528 (2000).
[CrossRef]

Gautam, K. S.

K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
[CrossRef] [PubMed]

Gurau, M. C.

Holtom, G. R.

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

Hsu, S. L.

R. G. Snyder, S. L. Hsu, and S. Krimm, Spectrochim. Acta 34A, 395 (1978).

Kim, D.

X. Zhuang, P. B. Miranda, D. Kim, and Y. R. Shen, Phys. Rev. B 59, 12632 (1999).
[CrossRef]

Krimm, S.

R. G. Snyder, S. L. Hsu, and S. Krimm, Spectrochim. Acta 34A, 395 (1978).

Le Clair, S. V.

K. T. Nguyen, S. V. Le Clair, S. Ye, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 113, 12358 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Li, G.

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

Miranda, P. B.

X. Zhuang, P. B. Miranda, D. Kim, and Y. R. Shen, Phys. Rev. B 59, 12632 (1999).
[CrossRef]

Morita, S.

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

Nguyen, K. T.

K. T. Nguyen, S. V. Le Clair, S. Ye, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 113, 12358 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Noda, H.

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

Osawa, M.

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

Paszti, Z.

J. Wang, Z. Paszti, M. L. Clarke, X. Chen, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 111, 6088 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Potma, E. O.

E. O. Potma and X. S. Xie, J. Raman Spectrosc. 34, 642(2003).
[CrossRef]

Richter, L. J.

Schultz, Z. D.

Schwab, A. D.

K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
[CrossRef] [PubMed]

Shen, Y. R.

Z. Chen, Y. R. Shen, and G. A. Somorjai, Annu. Rev. Phys. Chem. 53, 437 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

X. Zhuang, P. B. Miranda, D. Kim, and Y. R. Shen, Phys. Rev. B 59, 12632 (1999).
[CrossRef]

Snyder, R. G.

R. G. Snyder, S. L. Hsu, and S. Krimm, Spectrochim. Acta 34A, 395 (1978).

Somorjai, G. A.

Z. Chen, Y. R. Shen, and G. A. Somorjai, Annu. Rev. Phys. Chem. 53, 437 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Tanaka, M.

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

Uosaki, K.

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

Urban, M. W.

M. W. Urban, Vibrational Spectroscopy of Molecules and Macromolecules on Surfaces (Wiley, 1993).

Wang, J.

J. Wang, Z. Paszti, M. L. Clarke, X. Chen, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 111, 6088 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

J. Wang, C. Chen, S. M. Buck, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 105, 12118 (2001).
[CrossRef]

Xie, X. S.

E. O. Potma and X. S. Xie, J. Raman Spectrosc. 34, 642(2003).
[CrossRef]

J. Cheng, L. D. Book, and X. S. Xie, Opt. Lett. 26, 1341(2001).
[CrossRef]

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

Ye, S.

K. T. Nguyen, S. V. Le Clair, S. Ye, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 113, 12358 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

Yeganeh, M. S.

K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Langmuir 16, 4528 (2000).
[CrossRef]

Zhang, D.

D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Langmuir 16, 4528 (2000).
[CrossRef]

K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
[CrossRef] [PubMed]

Zhuang, X.

X. Zhuang, P. B. Miranda, D. Kim, and Y. R. Shen, Phys. Rev. B 59, 12632 (1999).
[CrossRef]

Zumbusch, A.

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

Acc. Chem. Res. (1)

S. Baldelli, Acc. Chem. Res. 41, 421 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Annu. Rev. Phys. Chem. (1)

Z. Chen, Y. R. Shen, and G. A. Somorjai, Annu. Rev. Phys. Chem. 53, 437 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Appl. Spectrosc. (1)

J. Phys. Chem. B (3)

J. Wang, Z. Paszti, M. L. Clarke, X. Chen, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 111, 6088 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

J. Wang, C. Chen, S. M. Buck, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 105, 12118 (2001).
[CrossRef]

K. T. Nguyen, S. V. Le Clair, S. Ye, and Z. Chen, J. Phys. Chem. B 113, 12358 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

J. Raman Spectrosc. (1)

E. O. Potma and X. S. Xie, J. Raman Spectrosc. 34, 642(2003).
[CrossRef]

Langmuir (1)

D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Langmuir 16, 4528 (2000).
[CrossRef]

Macromolecules (1)

S. Ye, S. Morita, G. Li, H. Noda, M. Tanaka, K. Uosaki, and M. Osawa, Macromolecules 36, 5694 (2003).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. B (1)

X. Zhuang, P. B. Miranda, D. Kim, and Y. R. Shen, Phys. Rev. B 59, 12632 (1999).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (2)

K. S. Gautam, A. D. Schwab, A. Dhinojwala, D. Zhang, S. M. Dougal, and M. S. Yeganeh, Phys. Rev. Lett. 85, 3854(2000).
[CrossRef] [PubMed]

A. Zumbusch, G. R. Holtom, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4142 (1999).
[CrossRef]

Spectrochim. Acta (1)

R. G. Snyder, S. L. Hsu, and S. Krimm, Spectrochim. Acta 34A, 395 (1978).

Other (1)

M. W. Urban, Vibrational Spectroscopy of Molecules and Macromolecules on Surfaces (Wiley, 1993).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Experimental setup. SHG, Second harmonic generation; SFG, sum-frequency generation; OPG/OPA, optical parametric generation/amplification; HWP1-4, half-wave plates; P1-4, polarizers; PMT, photomultiplier tube. Dotted line indicates CARS beam path.

Fig. 2
Fig. 2

(a),(b) SFG/CARS spectra of PMMA film before (top) and after (bottom) plasma treatment; (c), (d) SFG/CARS spectra of PS film before (top) and after (bottom) plasma treatment. The symbols are spectra collected in the experiments; curves are fitted results.

Fig. 3
Fig. 3

Absolute value of the peak amplitude/width ratio of the PMMA or PS mode centered at 2935 or 3069 cm 1 as a function of the polymer film thickness.

Fig. 4
Fig. 4

(a) DPPG monolayer SFG spectra collected with ssp and sps polarization combinations; (b) DPPG monolayer CARS spectra collected with ssss and spsp polarization combinations.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

I CARS | χ ( 3 ) | 2 I p I s I pr .
| χ ( 3 ) | 2 = | χ N R ( 3 ) + χ R ( 3 ) | 2 = | χ N R ( 3 ) + i A i Ω i ( ω p ω s ) + i Γ i | 2 .

Metrics