Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля
Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля ( NSOM ) или сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля ( SNOM ) — это метод микроскопии для исследования наноструктур, который преодолевает предел разрешения в дальнем поле , используя свойства затухающих волн . В SNOM возбуждающий лазерный свет фокусируется через апертуру диаметром меньше длины волны возбуждения, в результате чего на дальней стороне апертуры образуется исчезающее поле (или ближнее поле). [ 3 ] Когда образец сканируется на небольшом расстоянии ниже апертуры, оптическое разрешение проходящего или отраженного света ограничивается только диаметром апертуры. В частности, латеральное разрешение 6 нм. [ 4 ] и вертикальное разрешение 2–5 нм. [ 5 ] [ 6 ]
Как и в оптической микроскопии, механизм контрастирования можно легко адаптировать для изучения различных свойств, таких как показатель преломления , химическая структура и локальное напряжение. Используя этот метод, динамические свойства также можно изучать в субволновом масштабе.
NSOM/SNOM — это разновидность сканирующей зондовой микроскопии .
История
[ редактировать ]Эдварду Хатчинсону Синджу принадлежит заслуга в разработке и развитии идеи прибора для визуализации, который мог бы отображать 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 около 100 нм. Отверстие должно было оставаться в пределах 100 нм от поверхности, а информация должна была собираться путем точечного сканирования. Он предвидел, что освещение и движение детектора будут самыми большими техническими трудностями. [ 7 ] [ 8 ] Джон А. О'Киф также разработал аналогичные теории в 1956 году. Он думал, что перемещение точечного отверстия или детектора, когда они находятся так близко к образцу, будет наиболее вероятной проблемой, которая может помешать созданию такого инструмента. [ 9 ] [ 10 ] Именно Эш и Николлс из Университетского колледжа Лондона в 1972 году впервые преодолели Аббе , дифракционный предел используя микроволновое излучение с длиной волны 3 см. Линейная решетка разрешалась с разрешением λ 0/60 . [ 11 ] Десять лет спустя патент на оптический микроскоп ближнего поля подал Дитер Пол . [ 12 ] за ней в 1984 году вышла первая статья, в которой использовалось видимое излучение для сканирования ближнего поля. [ 13 ] 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. 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 менее 50 нм (около 0/10 удалось распознать детали размером ).
Теория
[ редактировать ]Согласно теории формирования изображения Аббе, разработанной в 1873 году, разрешающая способность оптического компонента в конечном итоге ограничивается расплыванием каждой точки изображения из-за дифракции. Если апертура оптического компонента не будет достаточно большой, чтобы собрать весь дифрагированный свет, более мелкие аспекты изображения не будут точно соответствовать объекту. Таким образом, минимальное разрешение (d) оптического компонента ограничено размером его апертуры и выражается критерием Рэлея :
Здесь λ 0 — длина волны в вакууме; NA – числовая апертура оптической составляющей (максимум 1,3–1,4 для современных объективов с очень большим коэффициентом увеличения). Таким образом, предел разрешения обычно составляет около λ 0 /2 для обычной оптической микроскопии. [ 17 ]
Эта трактовка учитывает только свет, дифрагировавший в дальнюю зону и распространяющийся без каких-либо ограничений. NSOM использует исчезающие 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 необходимо размещать очень близко к образцу в ближней зоне поля, обычно на расстоянии нескольких нанометров. В результате ближнепольная микроскопия остается в первую очередь методом контроля поверхности. Затем детектор растрируется по образцу с помощью пьезоэлектрического столика. Сканирование может осуществляться либо на постоянной высоте, либо на регулируемой высоте с помощью механизма обратной связи. [ 18 ]
Режимы работы
[ редактировать ]Работа с диафрагмой и без диафрагмы
[ редактировать ]
Существуют NSOM, которые могут работать в так называемом апертурном режиме, и NSOM для работы в безапертурном режиме. Как показано на рисунке, наконечники, используемые в режиме без апертуры, очень острые и не имеют металлического покрытия.
Хотя существует множество проблем, связанных с апертурными насадками (нагрев, артефакты, контрастность, чувствительность, топология и помехи, среди прочего), режим диафрагмы остается более популярным. В первую очередь это связано с тем, что режим без диафрагмы еще более сложен в настройке и эксплуатации, а также не совсем понятен. Существует пять основных режимов работы NSOM с апертурой и четыре основных режима работы NSOM без апертуры. Основные из них показаны на следующем рисунке.
В некоторых типах операций NSOM используется колокольчатый зонд , имеющий форму квадратной пирамиды с двумя гранями, покрытыми металлом. Такой пробник имеет высокую эффективность сбора сигнала (>90%) и не имеет среза по частоте. [ 21 ] Другой альтернативой являются схемы «активного наконечника», в которых наконечник функционализирован активными источниками света, такими как флуоресцентный краситель. [ 22 ] или даже светоизлучающий диод, обеспечивающий возбуждение флуоресценции. [ 23 ]
Достоинства апертурной и безапертурной конфигураций NSOM можно объединить в конструкции гибридного зонда, который содержит металлический наконечник, прикрепленный к боковой стороне конического оптического волокна. В видимом диапазоне (от 400 до 900 нм) около 50% падающего света может быть сфокусировано на вершине наконечника, радиус которого составляет около 5 нм. Этот гибридный зонд может передавать возбуждающий свет через волокно для реализации рамановской спектроскопии с усилением на кончике зонда (TERS) и собирать рамановские сигналы через то же волокно. Был продемонстрирован безлинзовый СТМ-НСОМ-ТЕРС с выходом волокна в волокно. [ 24 ]
Механизмы обратной связи
[ редактировать ]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 представляют собой обратную связь по постоянной силе и обратную связь по поперечной силе.
Режим обратной связи по постоянной силе 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 поперечной силе камертон устанавливается рядом с наконечником и заставляет колебаться на своей резонансной частоте. Амплитуда тесно связана с расстоянием между зондом и поверхностью и поэтому используется в качестве механизма обратной связи. [ 18 ]
Контраст
[ редактировать ]С помощью NSOM можно воспользоваться различными методами контрастирования, доступными для оптической микроскопии, но с гораздо более высоким разрешением. Используя изменение поляризации света или интенсивности света в зависимости от длины волны падающего света, можно использовать методы повышения контраста, такие как окрашивание , флуоресценция , фазовый контраст и дифференциально-интерференционный контраст . Также возможно обеспечить контраст, используя, среди прочего, изменение показателя преломления, отражательной способности, местного напряжения и магнитных свойств. [ 18 ] [ 19 ]
Инструментарий и стандартная настройка
[ редактировать ]
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 будут служить для удаления рассеянного света из возвращающегося отраженного света. Сканирующий наконечник, в зависимости от режима работы, обычно представляет собой натянутое или растянутое оптическое волокно, покрытое металлом, за исключением кончика, или просто стандартный кантилевер АСМ с отверстием в центре пирамидального наконечника. стандартные оптические детекторы, такие как лавинный фотодиод , фотоумножитель (ФЭУ) или ПЗС-матрица Могут использоваться . Узкоспециализированные методы NSOM, Raman NSOM, предъявляют гораздо более строгие требования к детекторам. например, [ 19 ]
Спектроскопия ближнего поля
[ редактировать ]Как следует из названия, информация собирается спектроскопическими средствами вместо визуализации в режиме ближнего поля. С помощью спектроскопии ближнего поля (NFS) можно проводить спектроскопические исследования с субволновым разрешением. Рамановский SNOM и флуоресцентный SNOM являются двумя наиболее популярными методами NFS, поскольку они позволяют идентифицировать наноразмерные особенности с помощью химического контраста. Ниже приведены некоторые из распространенных методов спектроскопии ближнего поля.
Прямой локальный рамановский NSOM основан на рамановской спектроскопии. Апертура Raman NSOM ограничена очень горячими и тупыми кончиками, а также длительным временем сбора. Однако безапертурный NSOM можно использовать для достижения высоких коэффициентов эффективности комбинационного рассеяния света (около 40). Топологические артефакты затрудняют реализацию этого метода для шероховатых поверхностей.
Рамановская спектроскопия с усилением на зонде (TERS) является ответвлением рамановской спектроскопии с усилением поверхности (SERS). Этот метод можно использовать в установке NSOM с поперечным усилием без апертуры или с использованием наконечника АСМ, покрытого золотом или серебром. Обнаружено, что рамановский сигнал значительно усиливается под наконечником АСМ. Этот метод был использован для получения локальных изменений в спектрах комбинационного рассеяния света под одностенной нанотрубкой. Для обнаружения сигнала комбинационного рассеяния света необходимо использовать высокочувствительный оптоакустический спектрометр.
Флуоресценция NSOM — это очень популярный и чувствительный метод, который использует флуоресценцию для визуализации в ближнем поле и особенно подходит для биологических приложений. В данном случае предпочтительным методом является безапертурный метод, обеспечивающий эмиссию волокна в режиме постоянной поперечной силы. В этом методе используются красители на основе мероцианина, заключенные в соответствующую смолу. Краевые фильтры используются для удаления всего первичного лазерного света. С помощью этого метода можно достичь разрешения всего 10 нм. [ нужна ссылка ]
Инфракрасная спектрометрия ближнего поля и диэлектрическая микроскопия ближнего поля [ 19 ] используйте датчики ближнего поля для объединения субмикронной микроскопии с локализованной ИК-спектроскопией. [ 25 ]
Нано -FTIR [ 26 ] Метод представляет собой широкополосную наномасштабную спектроскопию, которая сочетает в себе безапертурный NSOM с широкополосным освещением и FTIR-детектированием для получения полного инфракрасного спектра в каждом пространственном положении. С помощью nano-FTIR была продемонстрирована чувствительность к одному молекулярному комплексу и наноразмерное разрешение до 10 нм. [ 27 ]
Метод нанофокусировки позволяет создать на вершине наконечника источник «белого» света нанометрового размера, который можно использовать для освещения образца в ближнем поле для спектроскопического анализа. Межзонные оптические переходы в отдельных одностенных углеродных нанотрубках визуализированы, и сообщается о пространственном разрешении около 6 нм. [ 28 ]
Артефакты
[ редактировать ]NSOM может быть уязвим для артефактов, не связанных с предполагаемым режимом контрастности. Наиболее распространенными причинами артефактов при NSOM являются поломка кончика во время сканирования, полосатый контраст, смещение оптического контраста, локальная концентрация света в дальнем поле и топографические артефакты.
В безапертурном NSOM, также известном как SNOM рассеянного типа или s-SNOM, многие из этих артефактов устраняются или их можно избежать путем правильного применения техники. [ 29 ]
Ограничения
[ редактировать ]Одним из ограничений является очень короткое рабочее расстояние и чрезвычайно малая глубина резкости . Обычно это ограничивается поверхностными исследованиями; однако его можно применять для исследования недр в пределах соответствующей глубины резкости. В режиме поперечной силы и других контактных операциях он не подходит для исследования мягких материалов. Он имеет длительное время сканирования для больших площадей образца для получения изображений с высоким разрешением. [ нужна ссылка ]
Дополнительным ограничением является преобладающая ориентация состояния поляризации опросного света в ближней зоне сканирующей иглы. 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 сканирующим оптическим микроскопам ближнего поля, включая пространственную зависимость внутримолекулярных колебаний в анизотропных молекулах.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Херцог Дж.Б. (2011). Оптическая спектроскопия коллоидных полупроводниковых наноструктур CdSe (PDF) (кандидатская диссертация). Университет Нотр-Дам.
- ^ Бао В., Борис Н.Дж., Ко С., Су Дж., Фан В., Трон А. и др. (август 2015 г.). «Визуализация наномасштабных экситонных релаксационных свойств неупорядоченных краев и границ зерен в монослое дисульфида молибдена» . Природные коммуникации . 6 : 7993. Бибкод : 2015NatCo...6.7993B . дои : 10.1038/ncomms8993 . ПМЦ 4557266 . ПМИД 26269394 .
- ^ «СНОМ || ВИТек» . WITec Scientific Instruments and Technology GmbH . Ульм Германия . Проверено 6 апреля 2017 г.
- ^ Ма Х, Лю Ц, Ю Н, Сюй Д, Ким С, Лю З и др. (ноябрь 2021 г.). «Спектроскопическое изображение углеродных нанотрубок со сверхразрешением 6 нм и оптической передачей и рассеянием с использованием источника белого света нанометрового размера» . Природные коммуникации . 12 (1): 6868. arXiv : 2006.04903 . Бибкод : 2021NatCo..12.6868M . дои : 10.1038/s41467-021-27216-5 . ПМЦ 8617169 . ПМИД 34824270 .
- ^ Дюриг У, Пол Д.В., Ронер Ф (1986). «Ближнепольная оптическая сканирующая микроскопия». Журнал прикладной физики . 59 (10): 3318. Бибкод : 1986JAP....59.3318D . дои : 10.1063/1.336848 .
- ^ Осикане Ю, Катаока Т, Окуда М, Хара С, Иноуэ Х, Накано М (апрель 2007 г.). «Наблюдение наноструктуры с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа с малым сферическим зондом» (свободный доступ) . Наука и технология перспективных материалов . 8 (3): 181. Бибкод : 2007STAdM...8..181O . дои : 10.1016/j.stam.2007.02.013 .
- ^ Синг Э.Х. (1928). «Предлагаемый метод расширения микроскопического разрешения на ультрамикроскопическую область». Фил. Маг . 6 (35): 356. дои : 10.1080/14786440808564615 .
- ^ Синг Э.Х. (1932). «Применение пьезоэлектричества в микроскопии». Фил. Маг . 13 (83): 297. дои : 10.1080/14786443209461931 .
- ^ О'Киф Дж. А. (1956). «Письма в редакцию». J. Опт. Соц. Являюсь . 46 (5): 359. Бибкод : 1956JOSA...46..359.
- ^ «Краткая история и простое описание технологии NSOM/SNOM» . Nanonics Inc., 12 октября 2007 г.
- ^ Эш Э.А., Николлс Дж. (июнь 1972 г.). «Апертурный сканирующий микроскоп сверхвысокого разрешения». Природа . 237 (5357): 510–512. Бибкод : 1972Natur.237..510A . дои : 10.1038/237510a0 . ПМИД 12635200 . S2CID 4144680 .
- ^ Патент EP 0112401 , Pohl DW, «Оптический сканирующий микроскоп ближнего поля», опубликован 22 апреля 1987 г., выдан 27 декабря 1982 г., передан IBM.
- ^ Пол Д.В., Денк В., Ланц М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображения с разрешением λ/20» . Письма по прикладной физике . 44 (7): 651. Бибкод : 1984ApPhL..44..651P . дои : 10.1063/1.94865 .
- ^ Льюис А.М., Исааксон М., Харотюнян А., Мурай А. (1984). «Разработка светового микроскопа с пространственным разрешением 500 Å. I. Свет эффективно передается через апертуры диаметром λ/16». Ультрамикроскопия . 13 (3): 227. doi : 10.1016/0304-3991(84)90201-8 .
- ^ Бетциг Э., Льюис А., Харутюнян А., Исааксон М., Крачмер Э. (январь 1986 г.). «Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия (NSOM): развитие и биофизические приложения» . Биофизический журнал . 49 (1): 269–279. Бибкод : 1986BpJ....49..269B . дои : 10.1016/s0006-3495(86)83640-2 . ПМЦ 1329633 . ПМИД 19431633 .
- ^ Харотунян А., Бетциг Э., Исааксон М., Льюис А. (1986). «Флуоресцентная сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля сверхразрешения». Письма по прикладной физике . 49 (11): 674. Бибкод : 1986ApPhL..49..674H . дои : 10.1063/1.97565 .
- ^ Хехт Э (2002). Оптика . Сан-Франциско: Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-19-510818-7 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия. Olympus America Inc., 12 октября 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Каупп Г (2006). Атомно-силовая микроскопия, сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия и наноцарапания: применение к шероховатым и естественным поверхностям . Гейдельберг: Спрингер. ISBN 978-3-540-28405-5 .
- ^ Перейти обратно: а б Знакомство с НСОМ. Лаборатория оптики Университета штата Северная Каролина. 12 октября 2007 г.
- ^ 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 . ПМИД 23224550 . S2CID 12220003 .
- ^ Михаэлис Дж., Хеттих С., Млинек Дж., Сандогдар В. (май 2000 г.). «Оптическая микроскопия с использованием одномолекулярного источника света». Природа . 405 (6784): 325–328. Бибкод : 2000Natur.405..325M . дои : 10.1038/35012545 . ПМИД 10830956 . S2CID 1350535 .
- ^ Хосино К., Гопал А., Глаз М.С., Ванден Бут Д.А., Чжан Х (2012). «Наномасштабная флуоресцентная визуализация с помощью электролюминесценции ближнего поля с квантовыми точками». Письма по прикладной физике . 101 (4): 043118. Бибкод : 2012ApPhL.101d3118H . дои : 10.1063/1.4739235 .
- ^ Ким С, Ю Н, Ма Х, Чжу Ю, Лю Ц, Лю М, Ян Р (2019). «Высокая внешняя эффективность нанофокусировки для безлинзовой оптической наноскопии ближнего поля». Природная фотоника . 13 (9): 636–643. Бибкод : 2019NaPho..13..636K . дои : 10.1038/s41566-019-0456-9 . ISSN 1749-4893 . S2CID 256704795 .
- ^ Поллок Х.М., Смит Д.А. (2002). «Использование зондов ближнего поля для колебательной спектроскопии и фототермической визуализации». В Чалмерс Дж. М., Гриффитс PR (ред.). Справочник по колебательной спектроскопии . Том. 2. стр. 1472–92.
- ^ Хут Ф., Говядинов А., Амари С., Нуансинг В., Кейльманн Ф., Хилленбранд Р. (август 2012 г.). «Нано-FTIR-абсорбционная спектроскопия молекулярных отпечатков пальцев с пространственным разрешением 20 нм». Нано-буквы . 12 (8): 3973–3978. Бибкод : 2012NanoL..12.3973H . дои : 10.1021/nl301159v . ПМИД 22703339 .
- ^ Аменабар И., Поли С., Нуансинг В., Хубрич Э.Х., Говядинов А.А., Хут Ф. и др. (04.12.2013). «Структурный анализ и картирование отдельных белковых комплексов методом инфракрасной наноспектроскопии» . Природные коммуникации . 4 : 2890. Бибкод : 2013NatCo...4.2890A . дои : 10.1038/ncomms3890 . ПМЦ 3863900 . ПМИД 24301518 .
- ^ Ма Х, Лю Ц, Ю Н, Сюй Д, Ким С, Лю З и др. (ноябрь 2021 г.). «Спектроскопическое изображение углеродных нанотрубок со сверхразрешением 6 нм и оптической передачей и рассеянием с использованием источника белого света нанометрового размера» . Природные коммуникации . 12 (1): 6868. Бибкод : 2021NatCo..12.6868M . дои : 10.1038/s41467-021-27216-5 . ПМЦ 8617169 . ПМИД 34824270 .
- ^ Оселик Н., Хубер А., Хилленбранд Р. (4 сентября 2006 г.). «Псевдогетеродинное обнаружение для безфоновой спектроскопии ближнего поля». Письма по прикладной физике . 89 (10): 101124. Бибкод : 2006ApPhL..89j1124O . дои : 10.1063/1.2348781 . ISSN 0003-6951 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Галерея изображений сканов SNOM на Wayback Machine (архивировано 2 октября 2008 г.)
