Sum frequency generation vibrational spectroscopy (SFG-VS) is a powerful technique for determining molecular structures at both buried interface and air surface. Distinguishing the contribution of SFG signals from buried interface and air surface is crucial to the applications in devices such as microelectronics and bio-tips. Here we demonstrate that the SFG spectra from buried interface and air surface can be differentiated by controlling the film thickness and employment of surface-plasmon enhancement. Using substrate-supported PMMA (poly(methyl methacrylate)) films as a model, we have visualized the variations in the contribution of SFG signals from buried interface and air surface. By monitoring carbonyl and C-H stretching groups, we found that SFG signals are dominated by the moieties (-CH2, -CH3, -OCH3 and C=O) segregated at the PMMA/air surface for the thin films while they are mainly contributed by the groups (-OCH3 and C=O) at the substrate/PMMA buried interface for the thick films. At the buried interface, the tilt angle of C=O decreases from 65° to 43° as the film preparation concentration increases; in contrast, the angles at the air surface fall in the range from 38° to 21°. Surface plasmon generated by gold nanorods can largely enhance SFG signals, particularly the signals from the buried interface.

[1]
P.
Dhar
,
P. P.
Khlyabich
,
B.
Burkhart
,
S. T.
Roberts
,
S.
Malyk
,
B. C.
Thompson
, and
A. V.
Benderskii
,
J. Phys. Chem. C
117
,
15213
(
2013
).
[2]
D. B.
O’Brien
and
A. M.
Massari
,
J. Chem. Phys.
142
,
024704
(
2015
).
[3]
M. Y.
Xiao
,
T. Y.
Lu
,
T.
Lin
,
J. S.
Andre
, and
Z.
Chen
,
Adv. Energy Mater.
10
,
1903053
(
2020
).
[4]
J. G. C.
Veinot
, and
T. J.
Marks
,
Acc. Chem. Res.
38
,
632
(
2005
).
[5]
T. C.
Anglin
,
D. B.
O’Brien
, and
A. M.
Massari
,
J. Phys. Chem. C
114
,
17629
(
2010
).
[6]
T. C.
Anglin
,
J. C.
Speros
, and
A. M.
Massari
,
J. Phys. Chem. C
115
,
16027
(
2011
).
[7]
X. L.
Lu
,
G.
Xue
,
X. P.
Wang
,
J. L.
Han
,
X. F.
Han
,
J.
Hankett
,
D. W.
Li
, and
Z.
Chen
,
Macromolecules
45
,
6087
(
2012
).
[9]
N. W.
Ulrich
,
M. Y.
Xiao
,
X. Q.
Zou
,
J.
Williamson
, and
Z.
Chen
,
IEEE T. Comp. Pack. Man.
8
,
1213
(
2018
).
[10]
[11]
C. Y.
Chen
,
J.
Wang
,
M. A.
Even
, and
Z.
Chen
,
Macro-molecules
35
,
8093
(
2002
).
[12]
S. H.
Wu
,
Polymer Interface and Adhesion
,
New York
:
Marcel Dekker
, (
1982
).
[13]
Y. M.
Li
,
J. X.
Wang
, and
W.
Xiong
,
J. Phys. Chem. C
119
,
28083
(
2015
).
[14]
Y. R.
Shen
,
The Principles of Nonlinear Optics
,
New York
:
Wiley
, (
1984
).
[15]
S.
Hosseinpour
,
S. J.
Roeters
,
M.
Bonn
,
W.
Peukert
,
S.
Woutersen
, and
T.
Weidner
,
Chem. Rev.
120
,
3420
(
2020
).
[16]
B.
Ding
,
J.
Jasensky
,
Y. X.
Li
, and
Z.
Chen
,
Acc. Chem. Res.
49
,
1149
(
2016
).
[17]
E. T.
Castellana
and
P. S.
Cremer
,
Surf. Sci. Rep.
61
,
429
(
2006
).
[18]
A. G.
Lambert
,
P. B.
Davies
, and
D. J.
Neivandt
,
Appl. Spectrosc. Rev.
40
,
103
(
2005
).
[19]
S.
Roy
,
P. A.
Covert
,
W. R.
FitzGerald
, and
D. K.
Hore
,
Chem. Rev.
114
,
8388
(
2014
).
[20]
E. C.
Yan
,
L.
Fu
,
Z. G.
Wang
, and
W.
Liu
,
Chem. Rev.
114
,
8471
(
2014
).
[21]
S.
Nihonyanagi
,
S.
Yamaguchi
, and
T.
Tahara
,
Chem. Rev.
16
,
10665
(
2017
).
[22]
X. L.
Lu
,
N.
Shephard
,
J. L.
Han
,
G.
Xue
, and
Z.
Chen
,
Macromolecules
41
,
8770
(
2008
).
[23]
X. L.
Lu
,
D. W.
Li
,
C. B.
Kristalyn
,
J. L.
Han
,
N.
Shephard
,
S.
Rhodes
,
G.
Xue
, and
Z.
Chen
,
Macromolecules
42
,
9052
(
2009
).
[24]
X. L.
Lu
,
M. L.
Clarke
,
D. W.
Li
,
X. P.
Wang
,
G.
Xue
, and
Z.
Chen
,
J. Phys. Chem. C
115
,
13759
(
2011
).
[25]
X.
Li
,
B. L.
Li
,
X. D.
Zhang
,
C. C.
Li
,
Z. R.
Guo
,
D. S.
Zhou
, and
X. L.
Lu
,
Macromolecules
49
,
3116
(
2016
).
[26]
C.
Zhang
,
J. N.
Myers
, and
Z.
Chen
,
Langmuir
30
,
12541
(
2014
).
[27]
J. N.
Myers
,
C.
Zhang
,
K. W.
Lee
,
J.
Williamson
, and
Z.
Chen
,
Langmuir
30
,
165
(
2014
).
[28]
C.
Zhang
,
J.
Hankett
, and
Z.
Chen
,
ACS Appl. Mater. Interface
4
,
3730
(
2012
).
[29]
N. W.
Ulrich
,
J.
Andre
,
J.
Williamson
,
K. W.
Lee
, and
Z.
Chen
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
12144
(
2017
).
[30]
N. W.
Ulrich
,
J. N.
Myers
, and
Z.
Chen
,
RSC Adv.
5
,
105622
(
2015
).
[31]
C.
Chen
,
J.
Wang
,
C. L.
Loch
,
D.
Ahn
, and
Z.
Chen
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
1174
(
2004
).
[32]
C.
Zhang
and
Z.
Chen
,
J. Phys. Chem. C
117
,
3903
(
2013
).
[33]
J. J.
Tan
,
B. X.
Zhang
,
Y.
Luo
, and
S. J.
Ye
,
Angew. Chem. Int. Ed.
56
,
12977
(
2017
).
[34]
J. H.
Zhang
,
J. J.
Tan
,
R. Q.
Pei
, and
S. J.
Ye
,
Langmuir
36
,
1530
(
2020
).
[35]
J. J.
Tan
,
J. H.
Zhang
,
Y.
Luo
, and
S. J.
Ye
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
1941
(
2019
).
[36]
J. H.
Huang
,
K. Z.
Tian
,
S. J.
Ye
, and
Y.
Luo
,
J. Phys. Chem. C
120
,
15322
(
2016
).
[37]
X.
Hu
,
J. J.
Tan
, and
S. J.
Ye
,
J. Phys. Chem. C
121
,
15181
(
2017
).
[38]
B. X.
Zhang
,
J. J.
Tan
,
C. Z.
Li
,
J. H.
Zhang
, and
S. J.
Ye
,
Langmuir
34
,
7554
(
2018
).
[39]
J. J.
Tan
,
C. Z.
Li
,
J. H.
Zhang
, and
S. J.
Ye
,
Chin. J. Chem. Phys.
31
,
523
(
2018
).
[40]
J. J.
Tan
,
S. J.
Ye
, and
Y.
Luo
,
J. Phys. Chem. C
119
,
28523
(
2015
).
[41]
S. J.
Ye
,
H. C.
Li
,
W. L.
Yang
, and
Y.
Luo
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
1206
(
2014
).
[42]
W. T.
Wang
,
J. J.
Tan
, and
S. J.
Ye
,
J. Phys. Chem. B
124
,
5169
(
2020
).
[43]
X. J.
Zhang
,
D. G.
Cahill
,
O.
Coronell
, and
B. J.
Marinas
,
J. Membr. Sci.
331
,
143
(
2009
).
[44]
R. H.
Trivedi
,
L.
Werner
,
D. J.
Apple
,
S. K.
Pandey
, and
A. M.
Izak
,
Eye
16
,
217
(
2002
).
[45]
H. H.
Lin
,
Y. L.
Liu
,
J. H.
Liu
,
C. Y.
Chou
,
Y. F.
Yang
,
H. L.
Kuo
, and
C. C.
Huang
,
Artif. Organs
32
,
468
(
2008
).
[46]
Y.
Wang
,
B.
Vaidya
,
H. D.
Farquar
,
W.
Stryjewski
,
R. P.
Hammer
,
R. L.
McCarley
,
S. A.
Soper
,
Y. W.
Cheng
, and
F.
Barany
,
Anal. Chem.
75
,
1130
(
2003
).
[47]
Q. F.
Li
,
R.
Hua
,
I. J.
Cheah
, and
K. C.
Chou
,
J. Phys. Chem. B
112
,
694
(
2008
).
[48]
S. W.
Kuan
,
C. W.
Frank
,
Y. H.
Lee
,
T.
Eimori
,
D. R.
Allee
,
R. F. W.
Pease
, and
R.
Browning
,
J. Vac. Sci. Technol. B
7
,
1745
(
1989
).
[49]
J. B.
Park
and
R. S.
Lakes
,
Biomaterials: an Introducion
,
New York
:
Plenum Press
, (
1992
).
[50]
J.
Wang
,
C. Y.
Chen
,
S. M.
Buck
, and
Z.
Chen
,
J. Phys. Chem. B
105
,
12118
(
2001
).
[51]
S. G.
Motti
,
L. S.
Cardoso
,
D. J. C.
Gomes
,
R. M.
Faria
, and
P. B.
Miranda
,
J. Phys. Chem. C
122
,
10450
(
2018
).
[52]
B.
Zuo
,
Q. Y.
Xu
,
T. C.
Jin
,
H. M.
Xing
,
J. H.
Shi
,
Z. W.
Hao
,
L.
Zhang
,
K.
Tanaka
, and
X. P.
Wang
,
Langmuir
35
,
14890
(
2019
).
[53]
Y. M.
Hong
,
H.
Zhou
,
W. H.
Qian
,
B.
Zuo
, and
X. P.
Wang
,
J. Phys. Chem. C
121
,
19816
(
2017
).
[54]
J. Q.
Xu
,
Y. J.
Liu
,
J. S.
He
,
R. P.
Zhang
,
B.
Zuo
, and
X. P.
Wang
,
Soft Matter.
10
,
8992
(
2014
).
[55]
H.
Zhu
,
N.
Dhopatkar
, and
A.
Dhinojwala
,
ACS Macro. Lett.
5
,
45
(
2016
).
[56]
M.
Inutsuka
,
A.
Horinouchi
, and
K.
Tanaka
,
ACS Macro. Lett.
4
,
1174
(
2015
).
[57]
B. L.
Li
,
J.
Zhou
,
X.
Xu
,
J. C.
Yu
,
W.
Shao
,
Y.
Fang
, and
X. L.
Lu
,
Polymer
54
,
1853
(
2013
).
[58]
A.
Horinouchi
,
H.
Atarashi
,
Y.
Fujii
, and
K.
Tanaka
,
Macromolecules
45
,
4638
(
2012
).
[59]
K. C.
Jena
,
P. A.
Covert
,
S. A.
Hall
, and
D. K.
Hore
.
J. Phys. Chem. C
115
,
15570
(
2011
).
[60]
Y.
Tateishi
,
N.
Kai
,
H.
Noguchi
,
K.
Uosaki
,
T.
Nagamura
, and
K.
Tanaka
,
Polym. Chem.
1
,
303
(
2010
).
[61]
A.
Rao
,
H.
Rangwalla
,
V.
Varshney
, and
A.
Dhinojwala
,
Langmuir
20
,
7183
(
2004
).
[62]
J. H.
Zhang
,
W. L.
Yang
,
J. J.
Tan
, and
S. J.
Ye
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
5657
(
2018
).
[63]
J. J.
Tan
,
Y.
Luo
, and
S. J.
Ye
, Chin.
J. Chem. Phys.
30
,
671
(
2017
).
[64]
C.
Humbert
,
T.
Noblet
,
L.
Dalstein
,
B.
Busson
, and
G.
Barbillon
,
Materials
12
,
836
(
2019
).
[65]
K. P.
Cheung
,
R.
Grover
,
Y.
Wang
,
C.
Gurkovich
, and
G.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
214103
(
2005
).
[66]
O.
Selig
,
R.
Siffels
, and
Y. L. A.
Rezus
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
233004
(
2015
).
[67]
M. M.
Coleman
and
P. C.
Painter
,
Prog. Polym. Sci.
20
,
1
(
1995
).
[68]
X. H.
Liu
,
Y.
Zhao
,
Z.
Liu
,
D. J.
Wang
,
J. G.
Wu
, and
D. F.
Xu
,
J. Mol. Struct.
892
,
200
(
2008
).
[69]
S. J.
Ye
,
J. J.
Tan
,
K. Z.
Tian
,
C. Z.
Li
,
J. H.
Zhang
, and
Y.
Luo
,
Chem. Commun.
55
,
541
(
2019
).
[70]
E.
Tyrode
,
C. M.
Johnson
,
S.
Baldelli
,
C.
Leygraf
, and
M. W.
Rutland
,
J. Phys. Chem. B
109
,
329
(
2005
).
[71]
S. L.
Ma
,
H. C.
Li
,
K. Z.
Tian
,
S. J.
Ye
, and
Y.
Luo
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
419
(
2014
).
[72]
K.
Kneipp
,
M.
Moskovits
, and
H.
Kneipp
,
Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and Applications
,
Berlin
:
Springer Science & Business Media
, (
2006
).
[73]
B.
Sharma
,
R. R.
Frontiera
,
A. I.
Henry
,
E.
Ringe
, and
R. P.
Van Duyne
,
Mater. Today
15
,
16
(
2012
).
[74]
E. C.
Le Ru
and
P. G.
Etchegoin
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
63
,
65
(
2012
).
[75]
T.
Schmid
,
L.
Opilik
,
C.
Blum
, and
R.
Zenobi
,
Angew. Chem. Int. Ed.
52
,
5940
(
2013
).
[76]
C.
Zong
,
M. X.
Xu
,
L. J.
Xu
,
T.
Wei
,
X.
Ma
,
X. S.
Zheng
,
R.
Hu
, and
B.
Ren
,
Chem. Rev.
118
,
4946
(
2018
).
[77]
A. B.
Zrimsek
,
N. H.
Chiang
,
M.
Mattei
,
S.
Zaleski
,
M. O.
McAnally
,
C. T.
Chapman
,
A. I.
Henry
,
G. C.
Schatz
, and
P. R.
Van Duyne
,
Chem. Rev.
117
,
7583
(
2017
).
[78]
O.
Pluchery
,
C.
Humbert
,
M.
Valamanesh
,
E.
Lacaze
, and
B.
Busson
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
7729
(
2009
).
[79]
C.
Humbert
,
O.
Pluchery
,
E.
Lacaze
,
A.
Tadjeddine
, and
B.
Busson
,
Gold Bull.
46
,
299
(
2013
).
[80]
D.
Lis
,
Y.
Caudano
,
M.
Henry
,
S. D.
Champagne
,
E.
Ferain
, and
F.
Cecchet
,
Adv. Optical Mater.
1
,
244
(
2013
).
[81]
E. V.
Alieva
,
L. A.
Kuzik
,
V. A.
Yakovlev
,
G.
Knippels
,
A. F. G.
van der Meer
, and
G.
Mattei
,
Chem. Phys. Lett.
302
,
528
(
1999
).
[82]
E. V.
Alieva
,
L. A.
Kuzik
, and
V. A.
Yakovlev
,
Chem. Phys. Lett.
292
,
542
(
1998
).
[83]
S.
Baldelli
,
A. S.
Eppler
,
E.
Anderson
,
Y. R.
Shen
, and
G. A.
Somorjai
,
J. Chem. Phys.
113
,
5432
(
2000
).
[84]
Q. F.
Li
,
C. W.
Kuo
,
Z.
Yang
,
P. L.
Chen
, and
K. C.
Chou
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
3436
(
2009
).
[85]
W. T.
Liu
and
Y. R.
Shen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
111
,
1293
(
2014
).
[86]
M.
Gao
,
Y. H.
He
,
Y.
Chen
,
T. M.
Shih
,
W. M.
Yang
,
H. Y.
Chen
,
Z. L.
Yang
, and
Z. H.
Wang
,
Nanophotonics
9
,
815
(
2020
).
[87]
N. L.
Gruenke
,
M. F.
Cardinal
,
M. O.
McAnally
,
R. R.
Frontiera
,
G. C.
Schatz
, and
R. P.
Van Duyne
,
Chem. Soc. Rev.
45
,
2263
(
2016
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.