Введение

Оптическая микроскопия ближнего поля с сканированием (NSOM) или микроскопия ближнего поля с сканированием (SNOM) – это микроскопическая техника для исследования наноструктур, преодолевающая дифракционный предел разрешения, используя свойства затухающих волн. В SNOM возбуждающий лазерный свет фокусируется через апертуру диаметром, меньшим длины волны возбуждения, что приводит к формированию затухающего поля (или ближнего поля) на противоположной стороне апертуры. При сканировании образца на небольшом расстоянии от апертуры оптическое разрешение прошедшего или отраженного света ограничивается только диаметром апертуры. В частности, продемонстрировано боковое разрешение 6 нм и вертикальное разрешение 2–5 нм. Как и в оптической микроскопии, механизм контраста может быть легко адаптирован для изучения различных свойств, таких как показатель преломления, химическая структура и локальные напряжения. Динамические свойства также могут изучаться в субволновом масштабе с использованием данной техники. NSOM/SNOM является разновидностью сканирующей зондовой микроскопии.

История

Эдварду Хатчинсону Синге приписывают разработку идеи и создание концепции измерительного прибора, формирующего изображение путем возбуждения и регистрации дифракции в ближнем поле. Его первоначальная идея, предложенная в 1928 году, основывалась на использовании интенсивного, почти плоского света от дугового разряда под давлением, направленного на тонкую непрозрачную металлическую пленку с небольшим отверстием около 100 нм. Отверстие должно было оставаться на расстоянии не более 100 нм от поверхности, а информация собираться посредством точечного сканирования. Он предвидел, что наибольшими техническими трудностями станут освещение и перемещение детектора. Джон А. О’Киф также разработал схожие теории в 1956 году. Он полагал, что наиболее вероятной проблемой, способной помешать реализации такого прибора, будет перемещение пинхола или детектора при их близком расположении к образцу. Эш и Николз из Университетского колледжа Лондона в 1972 году первыми преодолели дифракционный предел Аббе, используя микроволновое излучение с длиной волны 3 см. Линейная дифракционная решетка была разрешена с разрешением λ0/60. Десять лет спустя Дитер Поль подал патент на оптический микроскоп ближнего поля, а в 1984 году была опубликована первая работа, в которой для сканирования ближнего поля использовалось видимое излучение. Оптический микроскоп ближнего поля (НФО) включал в себя субволновое отверстие на вершине заостренного прозрачного наконечника, покрытого металлом, и систему обратной связи для поддержания постоянного расстояния в несколько нанометров между образцом и зондом. Льюис и другие также осознавали потенциал микроскопа НФО в то время. В 1986 году они сообщили о первых результатах, подтверждающих сверхразрешение. В обоих экспериментах можно было различить детали размером менее 50 нм (около λ0/10).

Теория

Согласно теории формирования изображения Аббе, разработанной в 1873 году, разрешающая способность оптического компонента в конечном итоге ограничена дифракционным размытием каждой точки изображения. Если апертура оптического компонента недостаточно велика для сбора всего дифрагированного света, то мелкие детали изображения не будут точно соответствовать объекту. Таким образом, минимальное разрешение (d) для оптического компонента ограничено размером его апертуры и выражается критерием Рэлея:

Здесь λ0 – длина волны в вакууме, NA – числовая апертура оптического компонента (максимум 1,3–1,4 для современных объективов с очень высоким увеличением). Следовательно, предел разрешения обычно составляет около λ0/2 для обычной оптической микроскопии. Данный подход рассматривает только свет, дифрагированный в дальнее поле и распространяющийся без ограничений. NSOM (микроскопия ближнего поля) использует затухающие или нераспространяющиеся поля, существующие только вблизи поверхности объекта. Эти поля несут высокочастотную пространственную информацию об объекте и характеризуются интенсивностью, экспоненциально уменьшающейся с расстоянием от объекта. В связи с этим, детектор должен быть расположен очень близко к образцу, в зоне ближнего поля, как правило, на расстоянии нескольких нанометров. В результате, микроскопия ближнего поля остается преимущественно методом исследования поверхности. Затем детектор сканируется по образцу с помощью пьезоэлектрического позиционера. Сканирование может выполняться на постоянной высоте или с регулируемой высотой посредством обратной связи.

Работа с и без отверстия

Основными компонентами установки NSOM являются источник света, механизм обратной связи, сканирующий наконечник, детектор и пьезоэлектрическая платформа для образцов. Источник света обычно представляет собой лазер, сфокусированный в оптическое волокно через поляризатор, разделитель луча и соединитель. Поляризатор и разделитель луча служат для удаления паразитного света от отраженного света, возвращающегося от образца. Сканирующий наконечник, в зависимости от режима работы, обычно представляет собой вытянутое или растянутое оптическое волокно, покрытое металлом, за исключением кончика, или стандартный кантилевер AFM с отверстием в центре пирамидального наконечника. Могут использоваться стандартные оптические детекторы, такие как лавинный фотодиод, фотоумножительная трубка (ФЭТ) или ПЗС-матрица. Высокоспециализированные методы NSOM, например, Рамановский NSOM, предъявляют гораздо более строгие требования к детектору.

Артефакты

NSOM может быть подвержен артефактам, не связанным с выбранным режимом контрастирования. Наиболее частыми причинами возникновения артефактов в NSOM являются скол наконечника во время сканирования, полосатый контраст, смещение оптического контраста, локальная концентрация света дальнего поля и топографические артефакты. В безапертурном NSOM, также известном как SNOM рассеяния или sSNOM, многие из этих артефактов устраняются или могут быть предотвращены при правильном выборе методики.

Ограничения

Одно из ограничений — очень короткое рабочее расстояние и крайне малая глубина резкости. Обычно это ограничивается изучением поверхностей, однако его можно применять для исследований подповерхностных структур в пределах соответствующей глубины резкости. В режиме сдвига и других контактных режимах он не подходит для изучения мягких материалов. Для получения изображений высокого разрешения при сканировании больших площадей образца требуются длительные временные затраты. Дополнительным ограничением является преобладающая ориентация состояния поляризации зондирующего света в ближнем поле сканирующего наконечника. Металлические сканирующие наконечники естественным образом ориентируют состояние поляризации перпендикулярно поверхности образца. Другие методы, такие как анизотропная терагерцовая микроспектроскопия, используют плоскостную поляриметрию для изучения физических свойств, недоступных для микроскопов ближнего поля, включая пространственную зависимость внутримолекулярных колебаний в анизотропных молекулах.