stringtranslate.com

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля

Диаграмма, иллюстрирующая оптику ближнего поля , с дифракцией света, исходящего от волоконного зонда NSOM, показывающая длину волны света и ближнее поле. [1]
Сравнение карт фотолюминесценции, зарегистрированных с чешуек дисульфида молибдена с помощью NSOM с зондом-колокольчиком (вверху) и обычной 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 дальнем поле , используя свойства затухающих волн . В SNOM возбуждающий лазерный свет фокусируется через апертуру с диаметром, меньшим длины волны возбуждения, что приводит к затухающему полю (или ближнему полю) 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 боковое разрешение 6 нм [4] и вертикальное разрешение 2–5 нм. [5] [6]

Как и в оптической микроскопии, механизм контраста может быть легко адаптирован для изучения различных свойств, таких как показатель преломления , химическая структура и локальное напряжение. Динамические свойства также могут быть изучены в субволновом масштабе с использованием этой техники.

NSOM/SNOM — это разновидность сканирующей зондовой микроскопии .

История

Эдварду Хатчинсону Синджу приписывают заслугу за разработку и развитие идеи инструмента для получения изображений, который будет формировать 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 небольшим отверстием размером около 100 нм. Отверстие должно было оставаться в пределах 100 нм от поверхности, а информация должна была собираться путем сканирования по точкам. Он предвидел, что освещение и движение детектора будут самыми большими техническими трудностями. [7] [8] Джон А. О'Киф также разработал похожие теории в 1956 году. Он считал, что перемещение отверстия или детектора, когда оно находится так близко к образцу, будет наиболее вероятной проблемой, которая может помешать реализации такого инструмента. [9] [10] Именно Эш и Николс из Лондонского университетского колледжа в 1972 году впервые нарушили дифракционный предел Аббе , используя микроволновое излучение с длиной волны 3 см. Линейная решетка была разрешена с разрешением λ 0 /60. [11] Десятилетие спустя патент на оптический микроскоп ближнего поля был подан Дитером Полем , [12] за которым в 1984 году последовала первая статья, в которой использовалось видимое излучение для сканирования ближнего поля. [13] Оптический микроскоп ближнего поля (NFO) включал в себя апертуру субволновой длины на вершине покрытого металлом остроконечного прозрачного наконечника и механизм обратной связи для поддержания постоянного расстояния в несколько нанометров между образцом и зондом. Льюис и др. в то время также знали о потенциале микроскопа NFO. [14] В 1986 году они сообщили о первых результатах, подтверждающих сверхразрешение. [15] [16] В обоих экспериментах удалось распознать детали размером менее 50 нм (около λ 0 /10).

Теория

Согласно теории формирования изображения Аббе, разработанной в 1873 году, разрешающая способность оптического компонента в конечном итоге ограничена разбросом 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 оптического компонента (максимум 1,3–1,4 для современных объективов с очень высоким коэффициентом увеличения). Таким образом, предел разрешения обычно составляет около λ 0 /2 для обычной оптической микроскопии. [17]

Эта обработка учитывает только свет, дифрагированный в дальнем поле, который распространяется без каких-либо ограничений. NSOM использует затухающие или нераспространяющиеся поля, которые существуют только вблизи поверхности объекта. Эти поля несут высокочастотную пространственную информацию об объекте и имеют интенсивность, которая экспоненциально падает с расстоянием от объекта. Из-за этого детектор должен быть расположен очень близко к образцу в зоне ближнего поля, обычно на расстоянии нескольких нанометров. В результате микроскопия ближнего поля остается в первую очередь методом поверхностного контроля. Затем детектор растрируется по образцу с помощью пьезоэлектрического столика. Сканирование может выполняться либо на постоянной высоте, либо с регулируемой высотой с помощью механизма обратной связи. [18]

Режимы работы

Работа с апертурой и без апертуры

Эскиз а) типичного наконечника с металлическим покрытием и б) острого наконечника без покрытия. [19]

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

Хотя с апертурными наконечниками связано много проблем (нагрев, артефакты, контрастность, чувствительность, топология и помехи среди прочих), апертурный режим остается более популярным. Это в первую очередь связано с тем, что безапертурный режим еще сложнее настроить и использовать, а также не так понятен. Существует пять основных режимов работы апертурного NSOM и четыре основных режима работы безапертурного NSOM. Основные из них показаны на следующем рисунке.

Режимы работы с апертурой: а) освещение, б) сбор, в) сбор освещения, г) отражение и д) сбор отражения. [20]
Безапертурные режимы работы: а) туннелирование фотонов (PSTM) острым прозрачным наконечником, б) PSTM острым непрозрачным наконечником на гладкой поверхности и в) сканирующая интерферометрическая безапертурная микроскопия с двойной модуляцией. [19]

Некоторые типы работы NSOM используют зонд-колокольчик , который имеет форму квадратной пирамиды с двумя гранями, покрытыми металлом. Такой зонд имеет высокую эффективность сбора сигнала (>90%) и не имеет частотного среза. [21] Другой альтернативой являются схемы «активного наконечника», где наконечник функционализирован активными источниками света, такими как флуоресцентный краситель [22] или даже светодиод, который обеспечивает возбуждение флуоресценции. [23]

Достоинства конфигураций NSOM с апертурой и без апертуры можно объединить в гибридной конструкции зонда, которая содержит металлический наконечник, прикрепленный к боковой стороне конического оптического волокна. В видимом диапазоне (от 400 нм до 900 нм) около 50% падающего света может быть сфокусировано на вершине наконечника, радиус которой составляет около 5 нм. Этот гибридный зонд может доставлять возбуждающий свет через волокно для реализации рамановской спектроскопии с усилением наконечником (TERS) на вершине наконечника и собирать рамановские сигналы через то же волокно. Была продемонстрирована безлинзовая волоконно-оптическая STM-NSOM-TERS. [24]

Механизмы обратной связи

Механизмы обратной связи обычно используются для получения изображений с высоким разрешением и без артефактов, поскольку наконечник должен располагаться на расстоянии нескольких нанометров от поверхностей. Некоторые из этих механизмов — это обратная связь по постоянной силе и обратная связь по сдвиговой силе.

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

В режиме обратной связи по сдвиговой силе камертон устанавливается рядом с наконечником и заставляет его колебаться на своей резонансной частоте. Амплитуда тесно связана с расстоянием между наконечником и поверхностью и, таким образом, используется в качестве механизма обратной связи. [18]

Контраст

Можно воспользоваться различными методами контрастирования, доступными для оптической микроскопии через NSOM, но с гораздо более высоким разрешением. Используя изменение поляризации света или интенсивности света в зависимости от длины волны падающего света, можно использовать методы усиления контраста, такие как окрашивание , флуоресценция , фазовый контраст и дифференциальный интерференционный контраст . Также можно обеспечить контраст, используя изменение показателя преломления, отражательной способности, локального напряжения и магнитных свойств среди прочего. [18] [19]

Приборы и стандартная настройка

Блок-схема установки NSOM без апертуры с отражением назад к волокну, с контролем расстояния сдвига силы и кросс-поляризацией; 1: делитель луча и скрещенные поляризаторы; 2: расположение сдвига силы; 3: крепление образца на пьезоэлементе. [20]

Основными компонентами установки NSOM являются источник света, механизм обратной связи, сканирующий наконечник, детектор и пьезоэлектрический столик образца. Источником света обычно является лазер, сфокусированный в оптическое волокно через поляризатор , расщепитель луча и соединитель. Поляризатор и расщепитель луча служат для удаления паразитного света из возвращающегося отраженного света. Сканирующий наконечник, в зависимости от режима работы, обычно представляет собой вытянутое или растянутое оптическое волокно, покрытое металлом, за исключением наконечника, или просто стандартный кантилевер АСМ с отверстием в центре пирамидального наконечника. Могут использоваться стандартные оптические детекторы, такие как лавинный фотодиод , фотоумножительная трубка (ФЭУ) или ПЗС . Узкоспециализированные методы NSOM, например , Рамановская NSOM, предъявляют гораздо более строгие требования к детектору. [19]

Спектроскопия ближнего поля

Как следует из названия, информация собирается спектроскопическими средствами вместо визуализации в режиме ближнего поля. С помощью спектроскопии ближнего поля (NFS) можно проводить спектроскопическое зондирование с субволновым разрешением. Рамановская SNOM и флуоресцентная SNOM являются двумя из самых популярных методов NFS, поскольку они позволяют идентифицировать наноразмерные особенности с помощью химического контраста. Некоторые из распространенных методов спектроскопии ближнего поля приведены ниже.

Прямой локальный Рамановская NSOM основан на Рамановской спектроскопии. Рамановская NSOM с апертурой ограничена очень горячими и тупыми наконечниками, а также длительным временем сбора. Однако безапертурная NSOM может использоваться для достижения высоких коэффициентов эффективности Рамановского рассеяния (около 40). Топологические артефакты затрудняют реализацию этой техники для шероховатых поверхностей.

Спектроскопия комбинационного рассеяния с усилением наконечником (TERS) является ответвлением спектроскопии комбинационного рассеяния с усилением поверхности (SERS). Этот метод может использоваться в установке без апертуры сдвига NSOM или с использованием наконечника АСМ, покрытого золотом или серебром. Обнаружено, что сигнал комбинационного рассеяния значительно усиливается под наконечником АСМ. Этот метод использовался для получения локальных изменений в спектрах комбинационного рассеяния под однослойной нанотрубкой. Для обнаружения сигнала комбинационного рассеяния необходимо использовать высокочувствительный оптоакустический спектрометр.

Флуоресценция NSOM — очень популярная и чувствительная техника, которая использует флуоресценцию для визуализации ближнего поля и особенно подходит для биологических приложений. Техника выбора здесь — безапертурный возврат к излучению волокна в режиме постоянной силы сдвига. Эта техника использует красители на основе мероцианина, внедренные в соответствующую смолу. Краевые фильтры используются для удаления всего первичного лазерного света. С помощью этой техники можно достичь разрешения до 10 нм. [ необходима цитата ]

Ближнепольная инфракрасная спектрометрия и ближнепольная диэлектрическая микроскопия [19] используют зонды ближнего поля для объединения субмикронной микроскопии с локализованной ИК-спектроскопией. [25]

Метод nano-FTIR [26] представляет собой широкополосную наномасштабную спектроскопию, которая сочетает безапертурный NSOM с широкополосным освещением и FTIR-детектированием для получения полного инфракрасного спектра в каждом пространственном положении. Чувствительность к одному молекулярному комплексу и наномасштабное разрешение до 10 нм были продемонстрированы с помощью nano-FTIR. [27]

Метод нанофокусировки может создать нанометровый "белый" источник света на кончике острия, который может быть использован для освещения образца в ближнем поле для спектроскопического анализа. Межзонные оптические переходы в отдельных однослойных углеродных нанотрубках визуализируются, и сообщается о пространственном разрешении около 6 нм. [28]

Артефакты

NSOM может быть уязвим к артефактам, которые не относятся к предполагаемому режиму контраста. Наиболее распространенными причинами артефактов в NSOM являются поломка кончика во время сканирования, полосатый контраст, смещенный оптический контраст, локальная концентрация света в дальней зоне и топографические артефакты.

В безапертурной NSOM, также известной как SNOM рассеивающего типа или s-SNOM, многие из этих артефактов устраняются или их можно избежать путем применения правильной техники. [29]

Ограничения

Одним из ограничений является очень короткое рабочее расстояние и чрезвычайно малая глубина резкости . Обычно он ограничивается поверхностными исследованиями; однако его можно применять для подповерхностных исследований в пределах соответствующей глубины резкости. В режиме сдвиговой силы и других контактных операциях он не подходит для изучения мягких материалов. Он имеет длительное время сканирования для больших областей образца для получения изображений с высоким разрешением. [ необходима цитата ]

Дополнительным ограничением является преобладающая ориентация состояния поляризации исследующего 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 сканирующих оптических микроскопов ближнего поля, включая пространственную зависимость внутримолекулярных колебаний в анизотропных молекулах.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Herzog JB (2011). Оптическая спектроскопия коллоидных полупроводниковых наноструктур CdSe (PDF) (диссертация). Университет Нотр-Дам.
  2. ^ Bao W, Borys NJ, Ko C, Suh J, Fan W, Thron A и др. (август 2015 г.). "Визуализация свойств релаксации экситонов в наномасштабе неупорядоченных краев и границ зерен в монослое дисульфида молибдена". Nature Communications . 6 : 7993. Bibcode :2015NatCo...6.7993B. doi :10.1038/ncomms8993. PMC 4557266 . PMID  26269394. 
  3. ^ "СНОМ || WITec" . WITec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH . Ульм Германия . Проверено 6 апреля 2017 г.
  4. ^ Ma X, Liu Q, Yu N, Xu D, Kim S, Liu Z и др. (ноябрь 2021 г.). «6 нм оптическая передача и спектроскопическое рассеивание сверхвысокого разрешения углеродных нанотрубок с использованием источника белого света в нанометровом масштабе». Nature Communications . 12 (1): 6868. arXiv : 2006.04903 . Bibcode : 2021NatCo..12.6868M. doi : 10.1038/s41467-021-27216-5 . PMC 8617169 . PMID  34824270. 
  5. ^ Dürig U, Pohl DW, Rohner F (1986). «Оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля». Журнал прикладной физики . 59 (10): 3318. Bibcode : 1986JAP....59.3318D. doi : 10.1063/1.336848.
  6. ^ Oshikane Y, Kataoka T, Okuda M, Hara S, Inoue H, Nakano M (апрель 2007 г.). "Наблюдение наноструктуры с помощью сканирующего оптического микроскопа ближнего поля с малым сферическим зондом" (свободный доступ) . Science and Technology of Advanced Materials . 8 (3): 181. Bibcode : 2007STAdM...8..181O. doi : 10.1016/j.stam.2007.02.013 .
  7. ^ Synge EH (1928). «Предложенный метод расширения микроскопического разрешения в ультрамикроскопическую область». Phil. Mag . 6 (35): 356. doi :10.1080/14786440808564615.
  8. ^ Synge EH (1932). «Применение пьезоэлектричества в микроскопии». Phil. Mag . 13 (83): 297. doi :10.1080/14786443209461931.
  9. ^ O'Keefe JA (1956). «Письма в редакцию». J. Opt. Soc. Am . 46 (5): 359. Bibcode : 1956JOSA...46..359.
  10. ^ «Краткая история и простое описание технологии NSOM/SNOM». Nanonics Inc. 12 октября 2007 г.
  11. ^ Ash EA, Nicholls G (июнь 1972 г.). "Сканирующий микроскоп с апертурой сверхвысокого разрешения". Nature . 237 (5357): 510–512. Bibcode :1972Natur.237..510A. doi :10.1038/237510a0. PMID  12635200. S2CID  4144680.
  12. ^ Патент EP 0112401, Pohl DW, «оптический сканирующий микроскоп ближнего поля», опубликован 22 апреля 1987 г., выдан 27 декабря 1982 г., передан IBM. 
  13. ^ Pohl DW, Denk W, Lanz M (1984). "Оптическая стетоскопия: запись изображения с разрешением λ/20". Applied Physics Letters . 44 (7): 651. Bibcode : 1984ApPhL..44..651P. doi : 10.1063/1.94865 .
  14. ^ Льюис AM, Айзексон M, Харутуниан A, Мюрей A (1984). «Разработка светового микроскопа с пространственным разрешением 500 Å. I. Свет эффективно передается через отверстия диаметром λ/16». Ультрамикроскопия . 13 (3): 227. doi :10.1016/0304-3991(84)90201-8.
  15. ^ Betzig E, Lewis A, Harootunian A, Isaacson M, Kratschmer E (январь 1986 г.). «Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (NSOM): разработка и биофизические приложения». Biophysical Journal . 49 (1): 269–279. Bibcode :1986BpJ....49..269B. doi :10.1016/s0006-3495(86)83640-2. PMC 1329633 . PMID  19431633. 
  16. ^ Харутуниан А., Бетциг Э., Айзексон М., Льюис А. (1986). «Сверхразрешающая флуоресцентная сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля». Applied Physics Letters . 49 (11): 674. Bibcode : 1986ApPhL..49..674H. doi : 10.1063/1.97565.
  17. ^ Hecht E (2002). Оптика . Сан-Франциско: Addison Wesley. ISBN 978-0-19-510818-7.
  18. ^ abc Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля. Olympus America Inc. 12 октября 2007 г.
  19. ^ abcde Kaupp G (2006). Атомно-силовая микроскопия, сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия и наноцарапание: применение к шероховатым и естественным поверхностям . Гейдельберг: Springer. ISBN 978-3-540-28405-5.
  20. ^ ab Введение в NSOM. Оптическая лаборатория, Университет штата Северная Каролина. 12 октября 2007 г.
  21. ^ Бао В., Мелли М., Казелли Н., Риболи Ф., Виерсма Д.С., Стаффарони М. и др. (декабрь 2012 г.). «Картирование неоднородности локальной рекомбинации заряда с помощью многомерной наноспектроскопической визуализации». Наука . 338 (6112): 1317–1321. Бибкод : 2012Sci...338.1317B. дои : 10.1126/science.1227977. PMID  23224550. S2CID  12220003.
  22. ^ Michaelis J, Hettich C, Mlynek J, Sandoghdar V (май 2000 г.). «Оптическая микроскопия с использованием источника света из одной молекулы». Nature . 405 (6784): 325–328. Bibcode :2000Natur.405..325M. doi :10.1038/35012545. PMID  10830956. S2CID  1350535.
  23. ^ Хошино К, Гопал А, Глаз М.С., Ванден Боут Д.А., Чжан Х. (2012). «Флуоресцентная визуализация в наномасштабе с помощью электролюминесценции квантовых точек в ближнем поле». Applied Physics Letters . 101 (4): 043118. Bibcode : 2012ApPhL.101d3118H. doi : 10.1063/1.4739235.
  24. ^ Ким С, Ю Н, Ма Х, Чжу И, Лю Цюй, Лю М, Ян Р (2019). «Высокоэффективная внешняя нанофокусировка для оптической наноскопии ближнего поля без линз». Nature Photonics . 13 (9): 636–643. Bibcode :2019NaPho..13..636K. doi :10.1038/s41566-019-0456-9. ISSN  1749-4893. S2CID  256704795.
  25. ^ Поллок ХМ, Смит ДА (2002). «Использование зондов ближнего поля для вибрационной спектроскопии и фототермической визуализации». В Чалмерс ДжМ, Гриффитс П.Р. (ред.). Справочник по вибрационной спектроскопии . Т. 2. С. 1472–92.
  26. ^ Huth F, Govyadinov A, Amarie S, Nuansing W, Keilmann F, Hillenbrand R (август 2012 г.). «Абсорбционная спектроскопия молекулярных отпечатков пальцев с нано-Фурье-преобразованием при пространственном разрешении 20 нм». Nano Letters . 12 (8): 3973–3978. Bibcode : 2012NanoL..12.3973H. doi : 10.1021/nl301159v. PMID  22703339.
  27. ^ Аменабар И, Поли С, Нуансинг В, Хубрих ЭХ, Говядинов АА, Хут Ф и др. (2013-12-04). "Структурный анализ и картирование отдельных белковых комплексов с помощью инфракрасной наноспектроскопии". Nature Communications . 4 : 2890. Bibcode : 2013NatCo...4.2890A. doi : 10.1038/ncomms3890. PMC 3863900. PMID  24301518 . 
  28. ^ Ma X, Liu Q, Yu N, Xu D, Kim S, Liu Z и др. (ноябрь 2021 г.). «6 нм оптическая передача сверхвысокого разрешения и спектроскопическое рассеивание изображений углеродных нанотрубок с использованием источника белого света в нанометровом масштабе». Nature Communications . 12 (1): 6868. Bibcode :2021NatCo..12.6868M. doi :10.1038/s41467-021-27216-5. PMC 8617169 . PMID  34824270. 
  29. ^ Ocelic N, Huber A, Hillenbrand R (2006-09-04). "Псевдогетеродинное обнаружение для спектроскопии ближнего поля без фона". Applied Physics Letters . 89 (10): 101124. Bibcode : 2006ApPhL..89j1124O. doi : 10.1063/1.2348781. ISSN  0003-6951.

Внешние ссылки