Жақынды далалық оптикалық микроскопия: Наноқұрылымдарды зерттеу әдісі
Near-field scanning optical microscope
Жақынды далалық сканерлеуші оптикалық микроскопия (NSOM/SNOM) – наноқұрылымдарды зерттеуге арналған, жарық толқындарының қасиеттерін пайдаланатын микроскопия әдісі. 6нм дейін ажыратымдылық!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жақын өрісті сканерлеу оптикалық микроскопиясы (NSOM) немесе жақын өрісті сканерлеу оптикалық микроскопиясы (SNOM) – наноқұрылымдарды зерттеуге арналған микроскопиялық техника, ол ұшқын толқындарының қасиеттерін пайдаланып, алыс өрістің шешілім қабілетінің лимитін бұзады. SNOM-да қоздырғыш лазерлік сәуле қоздырғыш толқын ұзындығынан кіші диаметрлі апертура арқылы шоғырландырылады, нәтижесінде апертураның қарамағындағы жағында эвансенттік өріс (немесе жақын өріс) пайда болады. Егер үлгі апертурадан аз қашықтықта сканерленсе, берілген немесе шағылысқан жарықтың оптикалық шешілім қабілеті тек апертураның диаметрімен ғана шектеледі. Атап айтқанда, 6 нм көлденең шешілім және 2–5 нм тік шешілім көрсетілген. Оптикалық микроскопиядағыдай, контраст механизмін сыну көрсеткіші, химиялық құрылым және жергілікті кернеу сияқты әртүрлі қасиеттерді зерттеу үшін оңай бейімдеуге болады. Осы техниканы қолдана отырып, динамикалық қасиеттерді субтолқын ұзындығы деңгейінде зерттеуге де болады. NSOM/SNOM – сканерлік зонд микроскопиясының бір түрі.
Near field scanning optical microscopy (NSOM) or scanning near field optical microscopy (SNOM) is a microscopy technique for nanostructure investigation that breaks the far field resolution limit by exploiting the properties of evanescent waves. In SNOM, the excitation laser light is focused through an aperture with a diameter smaller than the excitation wavelength, resulting in an evanescent field (or near field) on the far side of the aperture. When the sample is scanned at a small distance below the aperture, the optical resolution of transmitted or reflected light is limited only by the diameter of the aperture. In particular, lateral resolution of 6 nm and vertical resolution of 2–5 nm have been demonstrated. As in optical microscopy, the contrast mechanism can be easily adapted to study different properties, such as refractive index, chemical structure and local stress. Dynamic properties can also be studied at a sub wavelength scale using this technique. NSOM/SNOM is a form of scanning probe microscopy.
Тарих
Эдвард Хатчинсон Сингеге жақын өрісте дифракцияны қоздырып және жинап бейне түсіретін бейнелеу құралының идеясын жасау және дамыту есебінен жатады. Оның 1928 жылы ұсынған түпкілікті идеясы, 100 нм шамасындағы кішкентай тесігі бар жұқа, мөлдір емес металл пленканың артындағы қысымдағы доғадан шығатын қарқынды, дерлік жазық жарықты пайдалануға негізделген. Тесік бетке 100 нм қашықтықта сақталуы керек еді, ал ақпарат нүктелік сканерлеу арқылы жиналуы тиіс болды. Ол жарықтандыру мен детектордың қозғалысын ең үлкен техникалық қиындықтар деп болжады. Джон А. О'Киф 1956 жылы да ұқсас теорияларды дамытты. Ол үлгіге өте жақын болғанда, тесіктің немесе детектордың қозғалысы мұндай құралды іске асыруға кедергі келтіретін ең мүмкін мәселе болады деп ойлады. 1972 жылы Лондон университетінің колледжіндегі Эш және Николз 3 см толқын ұзындығы бар микротолқынды сәулелендіруді қолданып, Аббе дифракция шегін бұзды. Сызықтық торлар λ0/60 ажыратымдылығымен шешілді. Он жылдан кейін Дитер Поль оптикалық жақын өріс микроскопына патент алды, ал 1984 жылы жақын өріс сканерлеу үшін көрінетін сәулелендіруді қолданған алғашқы мақала жарияланды. Жақын өрістік оптикалық (NFO) микроскопы металмен қапталған өткір ұшы бар мөлдір зондтың ұшындағы толқын ұзындығынан кіші апертураны және үлгі мен зонд арасындағы бірнеше нанометрлік тұрақты қашықтықты сақтау үшін кері байланыс механизмін қамтиды. Льюис және тағы басқалар да осы кезде NFO микроскопының әлеуетін білген. Олар 1986 жылы суперрезолюцияны растайтын алғашқы нәтижелерді ұсынды. Екі тәжірибеде де 50 нм-ден кішкентай (шамамен λ0/10) бөлшектерді анықтауға болды.
Edward Hutchinson Synge is given credit for conceiving and developing the idea for an imaging instrument that would image by exciting and collecting diffraction in the near field. His original idea, proposed in 1928, was based upon the usage of intense nearly planar light from an arc under pressure behind a thin, opaque metal film with a small orifice of about 100 nm. The orifice was to remain within 100 nm of the surface, and information was to be collected by point by point scanning. He foresaw the illumination and the detector movement being the biggest technical difficulties. John A. O'Keefe also developed similar theories in 1956. He thought the moving of the pinhole or the detector when it is so close to the sample would be the most likely issue that could prevent the realization of such an instrument. It was Ash and Nicholls at University College London who, in 1972, first broke the Abbe's diffraction limit using microwave radiation with a wavelength of 3 cm. A line grating was resolved with a resolution of λ0/60. A decade later, a patent on an optical near field microscope was filed by Dieter Pohl, followed in 1984 by the first paper that used visible radiation for near field scanning. The near field optical (NFO) microscope involved a sub wavelength aperture at the apex of a metal coated sharply pointed transparent tip, and a feedback mechanism to maintain a constant distance of a few nanometers between the sample and the probe. Lewis et al. were also aware of the potential of an NFO microscope at this time. They reported first results in 1986 confirming super resolution. In both experiments, details below 50 nm (about λ0/10) in size could be recognized.
Теория
1873 жылы әзірленген Аббедің бейне түзілу теориясына сәйкес, оптикалық компоненттің ажыратымдылығы дифракция салдарынан әрбір бейне нүктесінің таралуымен шектеледі. Егер оптикалық компоненттің апертурасы барлық дифракцияланған жарықты жинауға жеткілікті үлкен болмаса, бейнедегі ұсақ бөлшектер объектіге дәл сәйкес келмейді. Оптикалық компоненттің ең төменгі ажыратымдылығы (d) оның апертурасының мөлшерімен шектеледі және Рейлидің критерийі арқылы өрнектеледі:
According to Abbe's theory of image formation, developed in 1873, the resolving capability of an optical component is ultimately limited by the spreading out of each image point due to diffraction. Unless the aperture of the optical component is large enough to collect all the diffracted light, the finer aspects of the image will not correspond exactly to the object. The minimum resolution (d) for the optical component is thus limited by its aperture size, and expressed by the Rayleigh criterion:
Мұнда λ0 – вакуумдағы толқын ұзындығы; NA – оптикалық компоненттің сандық апертурасы (максималды 1.3–1.4 – өте жоғары ұлғайту коэффициенті бар заманауи объективтер үшін). Осылайша, дәстүрлі оптикалық микроскопия үшін ажыратымдылық шегі әдетте λ0/2 шамасында болады. Бұл қарастыру тек алысқа таралатын, ешқандай шектеусіз қозғалатын жарықты ғана қарастырады. NSOM объектінің бетіне жақын ғана болатын, тарамайтын немесе өте аз таралатын өрістерді пайдаланады. Бұл өрістер объект туралы жоғары жиілікті кеңістіктік ақпаратты тасымалдайды және объектіден қашықтық артқан сайын экспоненциалды түрде төмендейді. Осы себепті, детектор үлгіге өте жақын, яғни бірнеше нанометрлік жақын өріс аймағында орналастырылуы керек. Нәтижесінде, жақын өріс микроскопиясы негізінен беттік тексеру әдісі болып табылады. Детектор содан кейін пьезоэлектрлік платформа арқылы үлгі бойынша сканерленеді. Сканерлеу тұрақты биіктікте немесе кері байланыс механизмін пайдалану арқылы биіктігі реттелетін режимде жүргізілуі мүмкін.
Here, λ0 is the wavelength in vacuum; NA is the numerical aperture for the optical component (maximum 1.3–1.4 for modern objectives with a very high magnification factor). Thus, the resolution limit is usually around λ0/2 for conventional optical microscopy. This treatment only assumes the light diffracted into the far field that propagates without any restrictions. NSOM makes use of evanescent or non propagating fields that exist only near the surface of the object. These fields carry the high frequency spatial information about the object and have intensities that drop off exponentially with distance from the object. Because of this, the detector must be placed very close to the sample in the near field zone, typically a few nanometers. As a result, near field microscopy remains primarily a surface inspection technique. The detector is then rastered across the sample using a piezoelectric stage. The scanning can either be done at a constant height or with regulated height by using a feedback mechanism.
Апертурамен және аппертурасыз жұмыс істеу
NSOM құрылғысының негізгі компоненттері – жарық көзі, кері байланыс механизмі, сканерлеу ұшы, детектор және пьезоэлектрлік үлгі сатысы. Жарық көзі әдетте поляризатор, сәуле бөлігіш және біріктіргіш арқылы оптикалық талшыққа бағытталған лазер болып табылады. Поляризатор және сәуле бөлігіш кері оралған шағылысқан жарықтан кездейсоқ жарықты жоюға арналған. Сканерлеу ұшы, жұмыс режиміне байланысты, әдетте ұшынан басқа металлмен қапталған тартылған немесе созылған оптикалық талшық, немесе пирамидалық ұшының ортасында тесігі бар стандартты AFM консолі болуы мүмкін. Стандартты оптикалық детекторларды, мысалы, лавиналық фотодиодты, фотокөбейтуші түтікті (PMT) немесе CCD-ні пайдалануға болады. Раман NSOM сияқты арнайы NSOM техникалары детекторға қатысты әлдеқайда қатаң талаптар қояды.
The primary components of an NSOM setup are the light source, feedback mechanism, the scanning tip, the detector and the piezoelectric sample stage. The light source is usually a laser focused into an optical fiber through a polarizer, a beam splitter and a coupler. The polarizer and the beam splitter would serve to remove stray light from the returning reflected light. The scanning tip, depending upon the operation mode, is usually a pulled or stretched optical fiber coated with metal except at the tip or just a standard AFM cantilever with a hole in the center of the pyramidal tip. Standard optical detectors, such as avalanche photodiode, photomultiplier tube (PMT) or CCD, can be used. Highly specialized NSOM techniques, Raman NSOM for example, have much more stringent detector requirements.
Өнер бұйымдары
NSOM көзделген контраст режимінен туындамаған артефакттарға осал болуы мүмкін. NSOM-дегі артефакттардың ең көп кездесетін себептері – сканерлеу барысында ұштың сынуы, жолақты контраст, қате орынға жылжу нәтижесіндегі оптикалық контраст, жергілікті жақын өрістегі жарық шоғырлануы және топографиялық артефакттар. Апертурасыз NSOM, сондай-ақ шашырату типіндегі SNOM немесе s SNOM деп белгілі, осындай артефакттардың көпшілігін жоюға немесе дұрыс техника қолдану арқылы олардан сақтануға болады.
NSOM can be vulnerable to artifacts that are not from the intended contrast mode. The most common root for artifacts in NSOM are tip breakage during scanning, striped contrast, displaced optical contrast, local far field light concentration, and topographic artifacts. In apertureless NSOM, also known as scattering type SNOM or s SNOM, many of these artifacts are eliminated or can be avoided by proper technique application.
Шектеулер
Бір шектеу – өте қысқа жұмыс арақашықтығы және өте шалқая тереңдік. Әдетте, ол беткей зерттеулерімен шектеледі, бірақ сәйкес тереңдіктегі жер асты зерттеулері үшін де қолданылуы мүмкін. Қию күші режимі және басқа да тікелей байланыс режимінде жұмсақ материалдарды зерттеуге ыңғайлы емес. Жоғары ажыратымдылықта үлкен үлгі аландарын сканерлеу ұзақ уақыт алады. Тағы бір шектеу – сканерлеу ұшының жақын өрісіндегі сұрау жарығының поляризациялық күйінің басым бағыты. Металл сканерлеу ұштары поляризация күйін үлгі бетіне перпендикуляр бағытта табиғи түрде бағдарлайды. Анизотропты терагерц микроспектроскопиясы сияқты басқа әдістер, жақын өрісті сканерлеуші оптикалық микроскоптарына қолжетімсіз физикалық қасиеттерді, соның ішінде анизотропты молекулалардағы молекулалық дірілдердің кеңістіктік тәуелділігін зерттеу үшін жазықтықта поляриметрияны пайдаланады.
One limitation is a very short working distance and extremely shallow depth of field. It is normally limited to surface studies; however, it can be applied for subsurface investigations within the corresponding depth of field. In shear force mode and other contact operation it is not conducive for studying soft materials. It has long scan times for large sample areas for high resolution imaging. An additional limitation is the predominant orientation of the polarization state of the interrogating light in the near field of the scanning tip. Metallic scanning tips naturally orient the polarization state perpendicular to the sample surface. Other techniques, like anisotropic terahertz microspectroscopy utilize in plane polarimetry to study physical properties inaccessible to near field scanning optical microscopes including the spatial dependence of intramolecular vibrations in anisotropic molecules.