Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Диаграмма, иллюстрирующая оптику ближнего поля , с дифракцией света, исходящего от оптоволоконного зонда NSOM, с указанием длины волны света и ближнего поля. [1]
Сравнение карт фотолюминесценции, записанных с чешуйки дисульфида молибдена с использованием NSOM с колоколообразным зондом (вверху) и традиционной конфокальной микроскопии (внизу). Масштабные линейки: 1 мкм. [2]

Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля ( NSOM ) или сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля ( SNOM ) - это метод микроскопии для исследования наноструктур, который нарушает предел разрешения в дальней зоне за счет использования свойств затухающих волн . В СБОМ возбуждающий лазерный свет фокусируется через апертуру с диаметром меньше длины волны возбуждения, что приводит к исчезновению поля (или ближнего поля) на дальней стороне апертуры. [3]Когда образец сканируется на небольшом расстоянии ниже апертуры, оптическое разрешение проходящего или отраженного света ограничивается только диаметром апертуры. В частности, было продемонстрировано латеральное разрешение 20 нм и вертикальное разрешение 2–5 нм. [4] [5]

Как и в оптической микроскопии, механизм контраста можно легко адаптировать для изучения различных свойств, таких как показатель преломления , химическая структура и локальное напряжение. С помощью этого метода также можно изучать динамические свойства в субволновом масштабе.

NSOM / SNOM - это форма сканирующей зондовой микроскопии .

История [ править ]

Эдварду Хатчинсону Синджу принадлежит заслуга в разработке и разработке идеи прибора для визуализации, который мог бы получать изображения путем возбуждения и сбора дифракции в ближнем поле . Его первоначальная идея, предложенная в 1928 году, была основана на использовании интенсивного почти плоского света от дуги под давлением за тонкой непрозрачной металлической пленкой с маленьким отверстием около 100 нм. Отверстие должно было оставаться в пределах 100 нм от поверхности, и информация должна была собираться посредством точечного сканирования. Он предвидел, что освещение и движение детектора будут самыми большими техническими трудностями. [6] [7] Джон А. О'Кифтакже разработал аналогичные теории в 1956 году. Он думал, что перемещение точечного отверстия или детектора, когда он находится так близко к образцу, будет наиболее вероятной проблемой, которая может помешать реализации такого инструмента. [8] [9] Это был Зола и Николс , который, в 1972 году, первый нарушил Аббе «s дифракционный предел , используя излучение с длиной волны 3 см. Линия решетка была решена с разрешением Л 0 /60. [10] Десятилетием позже Поль получил патент на оптический микроскоп ближнего поля [11], а в 1984 году появилась первая статья, в которой для сканирования ближнего поля использовалось видимое излучение. [12] Оптический микроскоп ближнего поля (NFO) включал субволновую апертуру на вершине остроконечного прозрачного наконечника с металлическим покрытием и механизм обратной связи для поддержания постоянного расстояния в несколько нанометров между образцом и зондом. Lewis et al. были также осведомлены о потенциале микроскопа NFO в то время. [13] Они сообщили о первых результатах в 1986 году, подтверждающих сверхразрешение. [14] [15] В обоих экспериментах можно было распознать детали размером менее 50 нм (около λ 0/10 ).

Теория [ править ]

Согласно теории формирования изображения Аббе, разработанной в 1873 году, разрешающая способность оптического компонента в конечном итоге ограничивается расширением каждой точки изображения из-за дифракции. Если апертура оптического компонента не достаточно велика, чтобы собрать весь дифрагированный свет, более тонкие аспекты изображения не будут точно соответствовать объекту. Таким образом, минимальное разрешение (d) для оптического компонента ограничено размером его апертуры и выражается критерием Рэлея :

Здесь λ 0 - длина волны в вакууме; NA - числовая апертура для оптического компонента (максимум 1,3–1,4 для современных объективов с очень большим коэффициентом увеличения). Таким образом, предел разрешения обычно составляет около λ 0/2 для традиционной оптической микроскопии. [16]

Эта обработка предполагает только свет, дифрагированный в дальнее поле, которое распространяется без каких-либо ограничений. NSOM использует кратковременные или нераспространяющиеся поля, которые существуют только около поверхности объекта. Эти поля несут высокочастотную пространственную информацию об объекте, а их интенсивность экспоненциально спадает с расстоянием от объекта. По этой причине детектор необходимо размещать очень близко к образцу в зоне ближнего поля, обычно на расстоянии нескольких нанометров. В результате микроскопия ближнего поля остается в первую очередь методом контроля поверхности. Затем детектор растягивается по образцу с помощью пьезоэлектрического столика. Сканирование может производиться либо на постоянной высоте, либо на регулируемой высоте с помощью механизма обратной связи. [17]

Режимы работы [ править ]

Апертура и работа без диафрагмы [ править ]

Эскиз а) типичного наконечника с металлическим покрытием и б) острого наконечника без покрытия. [18]

Существуют NSOM, которые могут работать в так называемом апертурном режиме, и NSOM для работы в безапертурном режиме. Как показано, наконечники, используемые в безапертурном режиме, очень острые и не имеют металлического покрытия.

Хотя есть много проблем, связанных с наконечниками с отверстиями (нагрев, артефакты, контраст, чувствительность, топология и помехи среди прочего), режим диафрагмы остается более популярным. Это в первую очередь связано с тем, что безапертурный режим еще сложнее настроить и использовать, а также непонятен. Существует пять основных режимов работы NSOM с апертурой и четыре основных режима работы NSOM без апертуры. Основные из них показаны на следующем рисунке.

Режимы работы с отверстиями: а) освещение, б) сбор, в) сбор света, г) отражение и д) сбор отражения. [19]
Безапертурные режимы работы: а) фотонное туннелирование (PSTM) острым прозрачным наконечником, б) PSTM острым непрозрачным наконечником на гладкой поверхности и в) сканирующая интерферометрическая безапертурная микроскопия с двойной модуляцией. [18]

В некоторых типах операций NSOM используется колоколообразный зонд , который имеет форму квадратной пирамиды с двумя гранями, покрытыми металлом. Такой зонд имеет высокую эффективность сбора сигналов (> 90%) и отсутствие частотной отсечки. [20] Другой альтернативой является схема «активного наконечника», в которой наконечник функционализирован с помощью активных источников света, таких как флуоресцентный краситель [21] или даже светоизлучающий диод, который позволяет возбуждать флуоресценцию. [22]

Достоинства апертурной и безапертурной конфигураций NSOM могут быть объединены в конструкции гибридного зонда, который содержит металлический наконечник, прикрепленный к стороне сужающегося оптического волокна. В видимом диапазоне (от 400 до 900 нм) около 50% падающего света может быть сфокусировано на вершину наконечника, радиус которой составляет около 5 нм. Этот гибридный зонд может доставлять возбуждающий свет через волокно для реализации рамановской спектроскопии с усилением наконечника (TERS) на вершине наконечника и собирать сигналы комбинационного рассеяния через то же волокно. Продемонстрирована безлинзовая технология "волокно в волокне" СТМ-НСОМ-ТЕРС. [23]

Механизмы обратной связи [ править ]

Механизмы обратной связи обычно используются для получения изображений с высоким разрешением и без артефактов, поскольку наконечник должен располагаться в пределах нескольких нанометров от поверхности. Некоторые из этих механизмов представляют собой обратную связь по постоянной силе и обратной связи по поперечной силе.

Режим обратной связи с постоянной силой аналогичен механизму обратной связи, используемому в атомно-силовой микроскопии (АСМ). Эксперименты можно проводить в контактном, прерывистом контактном и бесконтактном режимах.

В режиме обратной связи по силе сдвига камертон устанавливается рядом с наконечником и заставляет колебаться на своей резонансной частоте. Амплитуда тесно связана с расстоянием от наконечника до поверхности и, таким образом, используется в качестве механизма обратной связи. [17]

Контраст [ править ]

Можно воспользоваться преимуществами различных методов контрастирования, доступных для оптической микроскопии через NSOM, но с гораздо более высоким разрешением. Используя изменение поляризации света или интенсивности света в зависимости от длины падающей волны, можно использовать методы усиления контраста, такие как окрашивание , флуоресценция , фазовый контраст и дифференциальный интерференционный контраст . Также возможно обеспечить контраст, используя, среди прочего, изменение показателя преломления, отражательной способности, локального напряжения и магнитных свойств. [17] [18]

Контрольно-измерительные приборы и стандартная установка [ править ]

Блок-схема безапертурной установки NSOM с обратным отражением в волокно с контролем расстояния сдвига и кросс-поляризацией; 1: светоделитель и скрещенные поляризаторы; 2: устройство сдвига; 3: крепление образца на пьезоэлементе. [19]

Основными компонентами установки NSOM являются источник света, механизм обратной связи, сканирующий наконечник, детектор и пьезоэлектрический столик для образца. Источником света обычно является лазер, сфокусированный в оптическое волокно через поляризатор , светоделитель и ответвитель. Поляризатор и светоделитель служат для удаления паразитного света из возвращающегося отраженного света. Наконечник сканирования, в зависимости от режима работы, обычно представляет собой вытянутое или растягивающееся оптическое волокно, покрытое металлом, за исключением наконечника, или просто стандартный кантилевер АСМ с отверстием в центре пирамидального наконечника. Стандартные оптические детекторы, такие как лавинный фотодиод , фотоумножитель (ФЭУ) или ПЗС, может быть использован. К высокоспециализированным методам NSOM, например , к рамановским NSOM, предъявляются гораздо более строгие требования к детекторам. [18]

Спектроскопия ближнего поля [ править ]

Как следует из названия, информация собирается спектроскопическими средствами, а не в режиме ближнего поля. С помощью спектроскопии ближнего поля (NFS) можно проводить зондирование с субволновым разрешением. Рамановский СБОМ и флуоресцентный СБОМ - два самых популярных метода NFS, поскольку они позволяют идентифицировать наноразмерные элементы с помощью химического контраста. Некоторые из распространенных методов спектроскопии ближнего поля приведены ниже.

Прямая локальная рамановская NSOM основана на рамановской спектроскопии. Рамановский NSOM с диафрагмой ограничен очень горячими и тупыми наконечниками, а также длительным временем сбора. Однако безапертурную NSOM можно использовать для достижения высоких коэффициентов эффективности комбинационного рассеяния (около 40). Топологические артефакты затрудняют реализацию этого метода для шероховатых поверхностей.

Рамановская спектроскопия с усилением наконечником (TERS) является ответвлением рамановской спектроскопии с усиленной поверхностью (SERS). Этот метод можно использовать в установке NSOM для сдвиговой силы без апертуры или с помощью наконечника АСМ, покрытого золотом или серебром. Было обнаружено, что рамановский сигнал значительно усиливается под наконечником АСМ. Этот метод был использован для получения локальных изменений спектров комбинационного рассеяния света под однослойной нанотрубкой. Для обнаружения рамановского сигнала необходимо использовать высокочувствительный оптоакустический спектрометр.

Флуоресценция NSOM - очень популярный и чувствительный метод, который использует флуоресценцию для визуализации ближнего поля и особенно подходит для биологических применений. В данном случае предпочтительным методом является безапертурный возврат к излучению волокна в режиме постоянной силы сдвига. В этом методе используются красители на основе мероцианина, залитые в соответствующую смолу. Краевые фильтры используются для удаления всего первичного лазерного излучения. С помощью этого метода можно достичь разрешения до 10 нм.

Инфракрасная спектрометрия ближнего поля и диэлектрическая микроскопия ближнего поля [18] используют зонды ближнего поля для объединения субмикронной микроскопии с локальной ИК-спектроскопией. [24]

Метод нано-FTIR [25] - это широкополосная наноразмерная спектроскопия, сочетающая безапертурную NSOM с широкополосным освещением и FTIR-детектированием для получения полного инфракрасного спектра в любом пространственном месте. Чувствительность к одному молекулярному комплексу и разрешение в нанометрах до 10 нм были продемонстрированы с помощью нано-FTIR. [26]

Артефакты [ править ]

NSOM может быть уязвим для артефактов, не связанных с предполагаемым режимом контрастности. Наиболее частыми причинами артефактов в NSOM являются поломка наконечника во время сканирования, полосатый контраст, смещенный оптический контраст, локальная концентрация света в дальней зоне и топографические артефакты.

В NSOM без апертуры, также известном как SNOM рассеивающего типа или s-SNOM, многие из этих артефактов устраняются или их можно избежать с помощью надлежащего применения техники. [27]

Ограничения [ править ]

Одно ограничение - очень малое рабочее расстояние и очень малая глубина резкости. Обычно это ограничивается исследованиями поверхности; тем не менее, его можно применять для исследования недр с соответствующей глубиной резкости. В режиме сдвига и других контактных операциях он не способствует изучению мягких материалов. Он имеет длительное время сканирования для больших областей образца для получения изображений с высоким разрешением. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Нанооптика
  • Флуоресцентная спектроскопия
  • Оптика ближнего поля

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Herzog, JB (2011). Оптическая спектроскопия коллоидных полупроводниковых наноструктур CdSe (PDF) (кандидатская диссертация). Университет Нотр-Дам.
  2. ^ Бао, Вэй; Борис, Николай Дж .; Ко, Чанхён; Су, Джунки; Fan, Wen; Престол, Андрей; Чжан, Инцзе; Буянин, Александр; Чжан, Цзе; Кабрини, Стефано; Эшби, Пол Д .; Вебер-Барджони, Александр; Тонгай, Сефааттин; Алони, Шауль; Оглетри, Д. Франк; У, Цзюньцяо; Salmeron, Miquel B .; Шак, П. Джеймс (2015). «Визуализация наноразмерных свойств экситонной релаксации неупорядоченных краев и границ зерен в однослойном дисульфиде молибдена» . Nature Communications . 6 : 7993. Bibcode : 2015NatCo ... 6.7993B . DOI : 10.1038 / ncomms8993 . PMC 4557266 . PMID 26269394 .  
  3. ^ Германия, WITec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH, Ульм. "СНОМ || WITec" . www.witec.de . Проверено 6 апреля 2017 .
  4. ^ Dürig, U .; и другие. (1986). «Оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля». J. Appl. Phys . 59 (10): 3318. Bibcode : 1986JAP .... 59.3318D . DOI : 10.1063 / 1.336848 .
  5. ^ Oshikane, Y .; и другие. (2007). «Наблюдение наноструктуры с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа с малым сферическим зондом» (свободный доступ) . Sci. Technol. Adv. Матер . 8 (3): 181. Bibcode : 2007STAdM ... 8..181O . DOI : 10.1016 / j.stam.2007.02.013 .
  6. ^ Synge, EH (1928). «Предлагаемый метод расширения микроскопического разрешения в ультрамикроскопическую область». Фил. Mag . 6 (35): 356. DOI : 10.1080 / 14786440808564615 .
  7. ^ Synge, EH (1932). «Применение пьезоэлектричества в микроскопии». Фил. Mag . 13 (83): 297. DOI : 10,1080 / 14786443209461931 .
  8. Перейти ↑ O'Keefe, JA (1956). «Письма в редакцию». J. Opt. Soc. Am . 46 (5): 359. Bibcode : 1956JOSA ... 46..359.
  9. ^ «Краткая история и простое описание технологии NSOM / SNOM» . Nanonics Inc. 12 октября 2007 г.
  10. Перейти ↑ Ash, EA & Nicholls, G. (1972). "Апертурный сканирующий микроскоп сверхвысокого разрешения". Природа . 237 (5357): 510–2. Bibcode : 1972Natur.237..510A . DOI : 10.1038 / 237510a0 . PMID 12635200 . 
  11. ^ Патент EP 0112401 , Pohl Дитер Вольфганг, доктор, "оптический ближнее поле сканирующий микроскоп", опубликованный 1987-04-22, выданный 1982-12-27 
  12. ^ Pohl, DW; Денк, В. и Ланц, М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображения с разрешением λ / 20». Прил. Phys. Lett . 44 (7): 651. Bibcode : 1984ApPhL..44..651P . DOI : 10.1063 / 1.94865 .
  13. ^ Льюис, А .; Isaacson, M .; Арутюнян А. и Мюррей А. (1984). «Разработка светового микроскопа с пространственным разрешением 500 Å. I. Свет эффективно проходит через отверстия диаметром λ / 16». Ультрамикроскопия . 13 (3): 227. DOI : 10,1016 / 0304-3991 (84) 90201-8 .
  14. ^ Betzig, E .; Lewis, A .; Harootunian, A .; Исааксон, М., Крачмер, Э. (1986). "Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (NSOM)" . Биофиз. Дж . 49 (1): 269–79. Bibcode : 1986BpJ .... 49..269B . DOI : 10.1016 / s0006-3495 (86) 83640-2 . PMC 1329633 . PMID 19431633 .  
  15. ^ Harootunian, A .; Betzig, E .; Исааксон М. и Льюис А. (1986). "Флуоресцентная ближнепольная оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения". Прил. Phys. Lett . 49 (11): 674. Bibcode : 1986ApPhL..49..674H . DOI : 10.1063 / 1.97565 .
  16. Перейти ↑ Hecht, E. (2002). Оптика . Сан-Франциско: Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-19-510818-7.
  17. ^ a b c Сканирующая оптическая микроскопия в ближнем поле. Olympus America Inc. 12 октября 2007 г.
  18. ^ a b c d e Каупп, Г. (2006). Атомно-силовая микроскопия, сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля и наноцарапание: применение к шероховатым и естественным поверхностям . Гейдельберг: Springer. ISBN 978-3-540-28405-5.
  19. ^ a b Введение в NSOM. Лаборатория оптики, Государственный университет Северной Каролины. 12 октября 2007 г.
  20. ^ Бао, Вт .; Melli, M .; Caselli, N .; Риболи, Ф .; Wiersma, DS; Staffaroni, M .; Choo, H .; Оглетри, Д.Ф .; Aloni, S .; Bokor, J .; Cabrini, S .; Intonti, F .; Салмерон, МБ; Яблонович, Э .; Schuck, PJ; Вебер-Барджони А. (2012). «Отображение локальной неоднородности рекомбинации зарядов с помощью многомерной наноспектроскопической визуализации» (PDF) . Наука . 338 (6112): 1317–21. Bibcode : 2012Sci ... 338.1317B . DOI : 10.1126 / science.1227977 . PMID 23224550 .  
  21. ^ Sandoghdar, V .; Michaelis, J .; Hettich, C .; Млынек, Дж. (2000). «Оптическая микроскопия с использованием одномолекулярного источника света». Природа . 405 (6784): 325–8. Bibcode : 2000Natur.405..325M . DOI : 10.1038 / 35012545 . PMID 10830956 . 
  22. ↑ Хосино, Кадзунори; Гопал, Ашвини; Glaz, Micah S .; Ванден Бут, Дэвид А .; Чжан, Сяоцзин (2012). «Наноразмерная флуоресцентная визуализация с электролюминесценцией ближнего поля с квантовыми точками». Письма по прикладной физике . 101 (4): 043118. Bibcode : 2012ApPhL.101d3118H . DOI : 10.1063 / 1.4739235 .
  23. ^ Ким, Санггон; Ю, Нин; Ма, Сюэчжи; Чжу, Янчжи; Лю, Цюши; Лю, Мин; Ян, Ruoxue (2019). "Высокоэффективная нанофокусировка для безлинзовой оптической наноскопии ближнего поля". Природа Фотоника . 13 (9): 636–643. DOI : 10.1038 / s41566-019-0456-9 . ISSN 1749-4893 . 
  24. ^ HM Pollock & DA Smith (2002). «Использование зондов ближнего поля для колебательной спектроскопии и фототермической визуализации». В JM Chalmers & PR Griffiths (ред.). Справочник по колебательной спектроскопии вып. 2 . С. 1472–92.
  25. ^ Хут, Флориан; Говядинов Александр; Амари, Серджиу; Nuansing, Wiwat; Кейльманн, Фриц; Хилленбранд, Райнер (2012-08-08). «Нано-FTIR абсорбционная спектроскопия молекулярных отпечатков пальцев при пространственном разрешении 20 нм». Нано-буквы . 12 (8): 3973–3978. Bibcode : 2012NanoL..12.3973H . DOI : 10.1021 / nl301159v . ISSN 1530-6984 . PMID 22703339 .  
  26. ^ Аменабар, Ибан; Поли, Саймон; Nuansing, Wiwat; Hubrich, Elmar H .; Говядинов, Александр А .; Хут, Флориан; Крутохвостов Роман; Чжан, Лянбинь; Кнез, Мато (2013-12-04). «Структурный анализ и картирование индивидуальных белковых комплексов с помощью инфракрасной наноспектроскопии» . Nature Communications . 4 : 2890. Bibcode : 2013NatCo ... 4.2890A . DOI : 10.1038 / ncomms3890 . ISSN 2041-1723 . PMC 3863900 . PMID 24301518 .   
  27. ^ Ocelic Ненад; Хубер, Андреас; Хилленбранд, Райнер (04.09.2006). «Псевдогетеродинное обнаружение для бесфоновой спектроскопии ближнего поля». Письма по прикладной физике . 89 (10): 101124. Bibcode : 2006ApPhL..89j1124O . DOI : 10.1063 / 1.2348781 . ISSN 0003-6951 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Галерея изображений сканирования SNOM на Wayback Machine (архивировано 2 октября 2008 г.)