Оптический сканирующий зондовый микроскоп

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Микроскоп
NSOM-СЗМ микроскоп

Оптический сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) — современный, наиболее совершенный комплекс средств для исследовательской микроскопии, «комбайн». Комплекс даёт возможность производить микроскопию на наноуровне, сканирующую атомно-силовую или флюоресцентную наномикроскопию; в сочетании с датчиками близкого расстояния (NSOM/SNOM) — с расстояния меньшего длины волны с высокой разрешающей способностью. В комплексе используются также средства оптической микроскопии.[1]

Разрешающая способность СЗМ: боковое разрешение составляет 20 нм и вертикальное — 2-5 нм!

Ведение[править]

Работа оптических приборов при создании нужного изображения (в микроскопе, телескопе, или фотокамере) может быть ограничена пределом разрешающей способности линз, несоосностью, бликами, паразитным отражением и другими факторами. Однако существует фундаментальный предел работы любой оптической системы, которая выражается величиной дифракции en:Diffraction, en:Near-field_(mathematics). Оптические системы со способностью производить изображения с преломлением лучей хороши до определённого предела, ограниченный дифракцией, который пропорционален размеру апертуры и обратно пропорционален длине волны (в случае применения апертурных зондов).[2]

В случае применения атомно-силового микроскопа (АСМ), данный метод представляет собой систему образец + игла. На малых расстояниях между двумя атомами, один на подложке, другой на острие, при расстоянии около одного ангстрема действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Величина этого усилия экспоненциально зависит от расстояния образец-игла.

При работе апертурных зондов или зондов поверхность + игла исследуется вещество на атомарном уровне. В настоящее время при сканировании стали применять высокоточные измерителные датчики регистрации результатов измерения, которые подводятся в саму зону работы сопла зонда или иглы. Это — оптические, ёмкостные или сенсорные датчики.

В частности системы NSOM/SNOM - микроскопическая техника для исследования наноструктур, которая преодолевает дифракционный барьер, эксплуатируя свойства недолговечных волн. Это достигается помещением датчика очень близко (расстояние, намного меньшее, чем длина волны λ) к поверхности образца. Здесь происходит поверхностный осмотр (сканирование) с высокой пространственной, спектральной и временной властью решения. Применение данной техники для создания изображения ограничено размером апертуры датчика, а не длиной волны света освещения. В частности боковое разрешение составляет 20 нм и вертикальное — 2-5 нм! Что демонстрировалось.[3]

Как в оптической микроскопии, контрастный механизм (использование изменения в поляризации света или интенсивности света как функция длины волны) возможно использовать контраст — методы, типа окрашивания, флюоресценции, фазовый контраст и дифференциальный контраст. Необходимый контраст можно обеспечить, используя изменение показателя преломления, отражения, местного напряжения и разных магнитных свойства в обшей среде.[4],[5]) может быть легко приспособлен, чтобы изучить различные свойства, типа показателя предлмления, химической структуры и местного напряжения. Динамические свойства могут также быть изучены в масштабе полдлины волны, используя эту технику.

История[править]

Ученый E.H. Synge ещё в 1928 предложил апертурный зонд. Его теория основана на использовании интенсивного почти плоского пучка света от электрической дуги под давлением, расположенной позади тонкой, непрозрачной металлической плёнки с маленьким отверстием приблизительно в 100 нм. Отверстие должно было находится на расстоянии до 100 нм от поверхности, и информация должна изучаться просмотром каждого пунта перемещением плёнки с отверстием. Он предусмотрел освещение и движение датчика, являющееся самыми большими техническими трудностями.[6],[7],[8] J.A. O’Keefe также развивал подобные теории в 1956. Он предполагал, что перемещение крошечного отверстия или датчика в условиях близкого к образцу расстояния, вероятная проблема, которая исключала реализацию такого способа.[9] Только Пепел и Nichols, в 1972, сначала нарушил предел дифракции Эбби en:Diffraction-limited_system, используя излучение с длиной волны 3 см. «Трение линии» (имелся в виду размер отверстия) было решено в условиях D = λ0/60.[10] Это было еще за двенадцать лет до того, как первые бумаги, которые использовали световое излучение для близкого полевого просмотра, которые были изданы Pohl и др., и Льюисом и др.. Обе этих работы вовлекали использование покрытой оптической апертуры металлом величиной поддлины волны в наконечнике острого резкого исследования, и механизма обратной связи, чтобы поддержать постоянное расстояние нескольких миллимикронов между образцом и апертурой.[7] Решение с минимальным расстоянием L = 25 нм (L = λ0/20) было достигнуто.[11]

Диафрагма (оптика)[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Диафрагма (оптика)

Диафрагма (от греч. διάφραγμα — перегородка) — оптический прибор, непрозрачная преграда, ограничивающая поперечное сечение световых пучков в оптических устройствах (микроскоп, фотоаппарат, телескоп, дальномер и др.).

  • Виды диафрагм

Названия видов диафрагм определяются тем, в какой части оптической системы они используются и какую часть пучка света ограничивают. Если вид диафрагмы не уточняется, как правило, имеется в виду:

Теория[править]

Полевая апертура

Согласно теории Эбби образование оптического изображения, развитой в 1873 году, следует, что способность получения оптического изображения в конечном счете ограничена прохождением лучей света, исходящих из источника света или отражённых лучей из каждой точки изображения из-за явления дифракции. Если апертура (отверстие) оптического компонента не достаточно большая (полностью открытая диафрагма, например, объектива), которая не позволяет собрать весь дифрагированный свет, то более прекрасные виды оптического изображения не будут соответствовать точно объекту (изображению). Минимальный размер отверстия при диафрагмировании (d) для оптического компонента, таким образом, ограничено его размером апертуры, что выражено в соответствии с критерием Рэлея:

$$ d = 0.61 \frac \lambda{N\!A} \;\!$$ Где:

  • λ0 — длина волны в вакууме;
  • NA - числовая апертура en:Numerical_apertureдля показателя пеломления (обычно 1.3–1.4 для современных целей (например, для обычной микроскопии)).

Таким образом, предел максимального отверстия (минимального диафрагмирования) — обычно ограничен λ0/2 (т.е. полуволны).[12]

Вообще дифрагмирование оптики производится при съёмке дальних объектов (телесъёмка) и принимает от них свет, который исходит без ограничений.

Однако, в отличие NSOM использует недолговечные или не размножающиеся области излучений, которые существуют только в зоне сканирования поверхности объекта. Эти области несут высокочастотную пространственную информацию об объекте и имеют intensities, которые понижаются по экспоненте с расстоянием от объекта. Поэтому датчик должен быть помещен очень близко к образцу в близкой полевой зоне, обычно в миллимикронах. В результате около полевой микроскопии (в зоне совместной работы сопла или иглы зонда) производится прежде всего поверхностной инспекционной техникой. Датчик в данном случае пошагово просматривает, сканирует поперек образца, используя пьезоэлектрический эффект en:Piezoelectricity. Просмотр может происходить на постоянной высоте или с регулируемой высотой при использовании механизма обратной связи. В послелнем случае происводится трёхмерное измерение объекта микроскопии (стереомикроскопия).[13]

Режим работы[править]

Апертура и апертурные операции[править]

Рис.1 Эскиз a) типичного покрытого металлом зонда, и b) острого непокрытого зонда.[14]

NSOM можно управлять и при применении апертуры и в способе без апертуры. Как показано на рисунке, используемые в безапертурном способе зонды очень остры и не имеют металлического покрытия.

Хотя есть много проблем, связанных с использованием диафрагм (нагревание, экспонирование, контраст, чувствительность, топология, интерференция и другие), но способ апертуры остается более популярным. Это - прежде всего, потому что способ с малой апертурой более сложен, чтобы настроить и работать, и не понят также. Есть пять первичных способов снабжённой диафрагмой операции NSOM и четырех первичных способов с малой апертурой операции NSOM. Основные из них показаны на рис.1.

Механизмы обратной связи[править]

Снабжённые диафрагмой режимы работы: освещение a), b) собрание, c) собрание освещения, d) отражение и e) собрание отражения.[15]
Режимы работы Apertureless: туннелирование фотона a) (PSTM) острым прозрачным наконечником, b) PSTM острым непрозрачным наконечником на гладкой поверхности, и c), просматривая интерференционную apertureless микроскопию с двойной модуляцией.[16]

Механизмы обратной связи обычно используются, чтобы достигнуть высокой разрешающей способности и возможности получения свободных оптических изображений экспоната, так как датчик должен быть помещен в пределах нескольких миллимикрон от поверхности. Некоторые из этих механизмов:

  • Постоянная обратная связь силы: Этот способ очень подобен механизму обратной связи, используемому в атомном микроскопе силы (AFM). Эксперименты могут быть выполнены в контакте, неустойчивом контакте, и бесконтактных способах.
  • Обратная связь силы касания иглы: в этом способе, настраивающаяся вилка установлена рядом с наконечником и имеет возможность колебаться в его частоте резонанса. Амплитуда близко связана с поверхностным наконечником определённым расстоянием, и таким образом используется как механизм обратной связи.[17]

Контраст[править]

Возможно использовать в своих интересах различные контрастные методы, доступные для оптической микроскопии, хотя NSOM, но с намного более высоким решением. При использовании изменения в поляризации света или интенсивности света, как функция длины волны инцидента, возможно использовать контрастность, увеличивающей разрешающую способость метода, типа окрашивания, флюоресценции, контрастность фазы и отличительный контраст вмешательства. Также возможно обеспечить контрастность, используя изменение показателя преломления, reflectivity, местного напряжения и магнитных свойствах среди других элементов.[18],[19]

Схема стандартной установки[править]

Блок-схема apertureless "отражение назад к волокну" установка NSOM с дистанционным управлением силы стрижки и поперечной поляризацией; 1: разделитель луча и пересеченный polarizers; 2: договоренность силы стрижки; 3: типовое крепление на piezo стадии.[20]

Первичные компоненты установки NSOM - источник света, механизм обратной связи, наконечник просмотра, датчик и пьезоэлектрическая типовая стадия. Источник света - обычно лазер, сосредоточенный в оптическом волокне через polarizer, разделитель луча и сцепной прибор. Polarizer и разделитель луча служат, чтобы удалить беспризорный свет из возвращения отраженного света. Наконечник просмотра, в зависимости от способа операции, является обычно тянувшее или передающее оптическое волокно, покрытое металлом кроме наконечника или только стандартная консоль AFM с отверстием в центре пирамидального наконечника. Стандартные оптические датчики, типа фотодиода лавины, труба фотоумножителя (PMT) или прибор с зарядовой связью, может также использоваться. Высоко специализированные методы NSOM, Raman NSOM например, имеют намного более строгие требования к датчикам.[21]

Ограничения[править]

  • Очень низко рабочее расстояние и чрезвычайно мелкая глубина области.
  • Ограниченный размер исследования поверхностей.
  • Не предназачен для того, чтобы изучать мягкие материалы, особенно с применением способа игла+поверхность.
  • Долгое время просмотра больших типовых областей или невозможность получения высокой разрешающей способностьи оптического изображения.

См. также[править]

Примечания[править]

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Near-field_scanning_optical_microscope
  2. Y. Oshikane et al. (2007). "Observation of nanostructure by scanning near-field optical microscope with small sphere probe" (free pdf). Sci. Technol. Adv. Mater. 8: 181. doi:10.1016/j.stam.2007.02.013. http://www.iop.org/EJ/article/1468-6996/8/3/A12/STAM_8_3_A12.pdf.
  3. Y. Oshikane et al. (2007). "Observation of nanostructure by scanning near-field optical microscope with small sphere probe" (free pdf). Sci. Technol. Adv. Mater. 8: 181. doi:10.1016/j.stam.2007.02.013. http://www.iop.org/EJ/article/1468-6996/8/3/A12/STAM_8_3_A12.pdf.
  4. Near-Field Scanning Optical Microscopy. Olympus America Inc. 12 Oct 2007.
  5. G. Kaupp (2006). Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Nanoscratching: Application to Rough and Natural Surfaces. Heidelberg: Springer. ISBN 3540284052.
  6. E.H. Synge (1928). "A suggested method for extending the microscopic resolution into the ultramicroscopic region". Phil. Mag. 6: 356.
  7. E.H. Synge (1932). "An application of piezoelectricity to microscopy". Phil. Mag. 13: 297.
  8. B. Hecht, B. Sick, U.P. Wild, V. Deckert, R. Zenobi, O.J.F. Martin, and D.W. Dieter (2000). "Scanning near-field optical microscopy with aperture probes: Fundamentals and applications". J. Chem. Phys. 18: 112.
  9. Brief History and Simple Description of NSOM/SNOM Technology". Nanonics Inc.. 12 Oct 2007. http://www.nanonics.co.il/index.php?page_id=149A.
  10. E.A. Ash and G. Nicholls (1972). "Super-resolution Aperture Scanning Microscope". Nature 237: 510. doi:10.1038/237510a0.
  11. D.W. Pohl, W. Denk, and M. Lanz (1984). "Optical stethoscopy: Image recording with resolution λ/20". Appl. Phys. Lett. 44: 651. doi:10.1063/1.94865.
  12. E. Hecht (2002). Optics. San Francisco: Addison Wesley. ISBN 0195108183.
  13. Near-Field Scanning Optical Microscopy. Olympus America Inc. 12 Oct 2007.
  14. G. Kaupp (2006). Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Nanoscratching: Application to Rough and Natural Surfaces. Heidelberg: Springer. ISBN 3540284052.
  15. G. Kaupp (2006). Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Nanoscratching: Application to Rough and Natural Surfaces. Heidelberg: Springer. ISBN 3540284052.
  16. G. Kaupp (2006). Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Nanoscratching: Application to Rough and Natural Surfaces. Heidelberg: Springer. ISBN 3540284052.
  17. Near-Field Scanning Optical Microscopy. Olympus America Inc. 12 Oct 2007.
  18. Near-Field Scanning Optical Microscopy. Olympus America Inc. 12 Oct 2007.
  19. G. Kaupp (2006). Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Nanoscratching: Application to Rough and Natural Surfaces. Heidelberg: Springer. ISBN 3540284052.
  20. Introduction to NSOM. The Optics Laboratory, North Carolina State University. 12 Oct 2007
  21. G. Kaupp (2006). Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Nanoscratching: Application to Rough and Natural Surfaces. Heidelberg: Springer. ISBN 3540284052.