Фотонная сканирующая микроскопия
 | Эта статья предоставляет недостаточный контекст для тех, кто не знаком с предметом . ( июнь 2021 г. ) |
Работа фотонного сканирующего туннельного микроскопа ( ПСТМ ) аналогична работе электронного сканирующего туннельного микроскопа , с основным отличием в том, что PSTM включает туннелирование фотонов вместо электронов от поверхности образца к кончику зонда. Луч света фокусируется на призме под углом, превышающим критический угол преломляющей среды, чтобы вызвать полное внутреннее отражение внутри призмы. Хотя луч света не распространяется через поверхность преломляющей призмы при полном внутреннем отражении, на поверхности все еще присутствует исчезающее световое поле.
Эванесцентное поле представляет собой стоячую волну, которая распространяется вдоль поверхности среды и экспоненциально затухает по мере удаления от поверхности. Поверхностная волна модифицируется топографией образца, помещенного на поверхность призмы. Поместив заостренный оптически проводящий наконечник зонда очень близко к поверхности (на расстоянии <λ), фотоны смогут распространяться через пространство между поверхностью и зондом (пространство, которое в противном случае они не смогли бы занять) посредством туннелирования. , что позволяет обнаруживать изменения в исчезающем поле и, следовательно, изменения в топографии поверхности образца. Таким образом, PSTM может отображать топографию поверхности образца почти так же, как в электронном сканирующем туннельном микроскопе.
Одним из основных преимуществ PSTM является отсутствие необходимости в электропроводящей поверхности. Это значительно упрощает визуализацию биологических образцов и устраняет необходимость покрывать образцы золотом или другим проводящим металлом. Кроме того, PSTM можно использовать для измерения оптических свойств образца и сочетать с такими методами, как фотолюминесценция , поглощение и рамановская спектроскопия .
История
[ редактировать ]Обычная оптическая микроскопия с использованием освещения в дальнем поле обеспечивает разрешение, ограниченное дифракционным пределом Аббе. Таким образом, современные оптические микроскопы с дифракционным ограниченным разрешением способны разрешать детали размером до λ/2,3. Исследователи уже давно стремятся преодолеть дифракционный предел традиционной оптической микроскопии, чтобы создать микроскопы сверхвысокого разрешения. Одним из первых крупных достижений на пути к этой цели стало развитие сканирующей оптической микроскопии (СОМ) Янгом и Робертсом в 1951 году. [1] SOM включает сканирование отдельных областей образца очень маленьким полем света, освещаемым через апертуру, ограниченную дифракцией. В каждой точке сканирования наблюдаются отдельные особенности размером до λ/3, а изображение, собранное в каждой точке, затем объединяется в одно изображение образца.
Разрешение этих устройств было расширено за пределы дифракционного предела в 1972 году Эшем и Николлсом. [2] который первым продемонстрировал концепцию сканирующей оптической микроскопии ближнего поля. В NSOM объект освещается через апертуру субволнового размера, расположенную на расстоянии <λ от поверхности образца. Концепция была впервые продемонстрирована с использованием микроволн, однако в 1984 году этот метод был распространен на область оптической визуализации Полем, Денком и Ланцем, которые разработали сканирующий оптический микроскоп ближнего поля, способный достигать разрешения λ/20. [3] Наряду с разработкой электронной сканирующей туннельной микроскопии в 1982 году Биннингом и др., [4] это привело к разработке Реддиком фотонного сканирующего туннельного микроскопа. [5] и Куржон [6] (независимо) в 1989 году. ПСТМ сочетает в себе методы СТМ. [ нужны разъяснения ] и NSOM путем создания исчезающего поля с использованием полного внутреннего отражения в призме под образцом и обнаружения вызванных образцом изменений исчезающего поля путем туннелирования фотонов в заостренный оптоволоконный зонд.
Теория
[ редактировать ]Полное внутреннее отражение
[ редактировать ]Луч света, проходящий через среду с показателем преломления n 1, попадающий на границу раздела со второй средой с показателем преломления n 2 (при n 1 >n 2 ), будет частично проходить через вторую среду и частично отражаться обратно через первую среду. если угол падения меньше критического угла. Под критическим углом падающий луч будет преломляться по касательной к границе раздела (т.е. он будет проходить вдоль границы между двумя средами). Под углом, превышающим критический угол (когда падающий луч почти параллелен границе раздела), свет будет полностью отражаться внутри первой среды; это состояние известно как полное внутреннее отражение. В случае PSTM первой средой является призма, обычно изготовленная из стекла, а второй средой — воздух над призмой. [5]
Связь с исчезающим полем
[ редактировать ]При полном внутреннем отражении, хотя энергия не распространяется через вторую среду, ненулевое электрическое поле все еще присутствует во второй среде вблизи границы раздела. Это поле экспоненциально затухает с увеличением расстояния от границы раздела и известно как исчезающее поле. Рисунок 1 [ нужны разъяснения ] показывает, что оптическая составляющая исчезающего поля модулируется наличием диэлектрического образца, помещенного на границу раздела (поверхность призмы), следовательно, поле содержит подробную оптическую информацию о поверхности образца. Хотя это изображение теряется в дальнем поле, ограниченном дифракцией, детальное оптическое изображение может быть построено путем зондирования области ближнего поля (на расстоянии <λ) и обнаружения вызванной образцом модуляции исчезающего поля. [7]
Это достигается за счет нарушенного полного внутреннего отражения, также известного как связь с исчезающим полем. Это происходит, когда третья среда (в данном случае заостренный волоконный зонд) с показателем преломления n 3 (при n 3 >n 2 ) подносится к границе раздела на расстоянии < λ. На этом расстоянии третья среда перекрывает исчезающее поле, нарушая полное отражение света в первой среде и позволяя волне распространяться в третьей среде. Этот процесс аналогичен квантовому туннелированию; фотоны, заключенные в первой среде, могут туннелировать через вторую среду (где они не могут существовать) в третью среду. В PSTM туннелированные фотоны передаются через оптоволоконный зонд в детектор, где затем можно восстановить детальное изображение исчезающего поля. Степень связи между зондом и поверхностью сильно зависит от расстояния, поскольку исчезающее поле является экспоненциально убывающей функцией расстояния от границы раздела. Следовательно, степень связи используется для измерения расстояния между наконечником и поверхностью, чтобы получить топографическую информацию об образце, помещенном на поверхность. [5] [7]
Взаимодействие зонда и поля
[ редактировать ]Напряженность исчезающего поля на расстоянии z от поверхности определяется соотношением
I~exp(-γz)
где γ — константа затухания поля и представлена выражением
γ = 2k 2 (n 12 2 грех 2 θ я - 1) 1/2
где n 12 =(n 1 /n 2 ), n 1 - показатель преломления первой среды, n 2 - показатель преломления второй среды, k - величина падающего волнового вектора, а θ i - угол падения. Константа затухания используется при определении пропускания фотонов от поверхности к кончику зонда, однако степень связи также сильно зависит от свойств кончика зонда, таких как длина области кончика зонда, контактирующей с исчезающее поле, геометрия кончика зонда и размер апертуры (в зондах с апертурой). Поэтому степень оптической связи с наконечником зонда в зависимости от высоты должна определяться индивидуально для данного инструмента и наконечника зонда. На практике это обычно определяется во время калибровки прибора путем сканирования зонда перпендикулярно поверхности и мониторинга сигнала детектора в зависимости от высоты зонда. Таким образом, константа затухания находится эмпирически и используется для интерпретации сигнала, полученного во время бокового сканирования, и для установки точки обратной связи для пьезоэлектрического преобразователя во время сканирования постоянного сигнала. [7]
Хотя константа затухания обычно определяется эмпирическими методами, подробные математические модели взаимодействия зонда и образца, учитывающие геометрию кончика зонда и расстояние до образца, были опубликованы Goumri-Said et al. [8] [9] Во многих случаях исчезающее поле в первую очередь модулируется топографией поверхности образца, поэтому обнаруженный оптический сигнал можно интерпретировать как топографию образца. Однако показатель преломления и поглощающие свойства образца могут вызвать дальнейшие изменения в обнаруженном исчезающем поле, что приводит к необходимости отделения оптических данных от топографических данных. Это часто достигается путем объединения PSTM с другими методами, такими как AFM. [ нужны разъяснения ] (см. ниже). Реддик также разработал теоретические модели для учета модуляции затухающего поля вторичными эффектами, такими как рассеяние и поглощение на поверхности образца. [10]
Процедура
[ редактировать ]Рисунок 2 [ нужны разъяснения ] показывает работу и принцип работы ПСТМ. достигается Исчезающее поле с помощью лазерного луча с геометрией ослабленного полного отражения для полного внутреннего отражения внутри треугольной призмы. Образец помещается на стеклянное или кварцевое предметное стекло, которое прикрепляется к призме с помощью геля, соответствующего индексу. Образец тогда становится поверхностью, на которой происходит полное внутреннее отражение. Зонд состоит из заостренного кончика оптического волокна, прикрепленного к пьезоэлектрическому преобразователю для контроля точного движения кончика зонда во время сканирования. Конец оптического волокна соединен с трубкой фотоумножителя , который действует как детектор. Наконечник зонда и пьезоэлектрический преобразователь размещены внутри картриджа сканера, установленного над образцом. Положение этого узла регулируется вручную, чтобы кончик зонда оказался на расстоянии туннелирования затухающего поля. [5] [11]
Когда фотоны туннелируют из исчезающего поля в кончик зонда, они передаются по оптическому волокну к трубке фотоумножителя, где преобразуются в электрический сигнал. Амплитуда электрического выхода фотоумножителя прямо пропорциональна количеству фотонов, собранных зондом, что позволяет измерить степень взаимодействия зонда с затухающим полем на поверхности образца. Поскольку это поле экспоненциально затухает с увеличением расстояния от поверхности, степень напряженности поля соответствует высоте зонда от поверхности образца. Электрические сигналы отправляются на компьютер, где топография поверхности отображается на основе соответствующих изменений обнаруженной интенсивности исчезающего поля. [7] [11]
Электрический выходной сигнал фотоумножителя используется в качестве постоянной обратной связи с пьезоэлектрическим преобразователем для регулировки высоты зонда в соответствии с изменениями топографии поверхности. Зонд необходимо сканировать перпендикулярно поверхности образца, чтобы откалибровать прибор и определить константу спада интенсивности поля в зависимости от высоты зонда. Во время этого сканирования устанавливается точка обратной связи, чтобы пьезоэлектрический преобразователь мог поддерживать постоянную интенсивность сигнала во время бокового сканирования. [7]
Наконечники оптоволоконных зондов
[ редактировать ]Разрешение прибора PSTM во многом зависит от геометрии и диаметра наконечника зонда. Зонды обычно изготавливаются путем химического травления оптического волокна в растворе HF и могут быть как с апертурой, так и без нее. С помощью химического травления были изготовлены кончики волокон с радиусом кривизны всего 20 нм. В наконечниках с отверстиями стороны заостренного волокна покрыты методом напыления металлом или другим материалом. Это помогает ограничить туннелирование фотонов в сторону зонда, чтобы поддерживать более последовательную и точную связь с исчезающим полем. Из-за жесткости волоконного зонда даже кратковременный контакт с поверхностью может привести к разрушению кончика зонда. [12]
Наконечники зонда большего размера имеют большую степень связи с затухающим полем и, следовательно, будут иметь более высокую эффективность сбора из-за большей площади оптического волокна, взаимодействующего с полем. Основным ограничением большого наконечника является повышенная вероятность столкновения с более шероховатыми поверхностями, а также туннелирования фотонов в боковую часть зонда. Более узкий кончик зонда необходим для разрешения более резких особенностей поверхности без столкновений, однако эффективность сбора данных будет снижена.
Рисунок 3 [ нужны разъяснения ] показывает, что волоконный зонд с металлическим покрытием. В волоконных зондах с металлическим покрытием эффективность сбора определяется диаметром и геометрией апертуры или площадью без покрытия на кончике зонда. Более широкие углы конуса приводят к увеличению диаметра апертуры и более короткой длине зонда, тогда как более узкие углы конуса приводят к меньшему диаметру апертуры и более длинным зондам. Были разработаны наконечники зондов с двойной конусностью, в которых длинная узкая часть зонда сужается в наконечник с более широким углом конуса. Это обеспечивает более широкую апертуру для большей эффективности сбора при сохранении длинного и узкого наконечника зонда, способного распознавать резкие особенности поверхности с низким риском столкновения. [13]
Методы связанной спектроскопии PSTM
[ редактировать ]Фотолюминесценция
[ редактировать ]Показано, что спектры фотолюминесценции можно регистрировать с помощью модифицированного прибора ПСТМ. Сочетание фотолюминесцентной спектроскопии с PSTM позволяет наблюдать излучение из локальных наноскопических областей образца и дает понимание того, как фотолюминесцентные свойства материала изменяются из-за морфологии поверхности или химических различий в неоднородном образце. В этом эксперименте в качестве источника возбуждения использовался луч He-Cd-лазера с длиной волны 442 нм при полном внутреннем отражении. Сигнал из оптического волокна сначала пропускался через монохроматор, а затем попадал в фотоумножитель для записи сигнала. Спектры фотолюминесценции записывались с локальных участков образца кристалла рубина. [14] Последующая публикация успешно продемонстрировала использование PSTM для записи спектра флуоресценции Cr. 3+ ионно-имплантированный сапфир, криогенно охлажденный в жидком азоте. Этот метод позволяет охарактеризовать отдельные особенности поверхности образцов полупроводников, фотолюминесцентные свойства которых сильно зависят от температуры и должны быть изучены при криогенных температурах. [15]
Инфракрасный
[ редактировать ]PSTM был модифицирован для записи спектров в инфракрасном диапазоне. Использование каскадной дуги и лазера на свободных электронах CLIO. [ нужны разъяснения ] В качестве источников инфракрасного света записывали спектры инфракрасного поглощения диазохиноновой смолы. Для этого режима работы требуется фторидное стекловолокно и детектор HgCdTe для эффективного сбора и записи используемых инфракрасных волн. Кроме того, кончик волокна должен иметь металлическое покрытие и вибрировать во время сбора, чтобы в достаточной степени снизить фоновый шум. Сначала поверхность необходимо визуализировать с использованием длины волны, которая не будет поглощаться образцом. Затем источник света проходит через интересующие длины волн инфракрасного излучения в каждой точке во время сбора. Спектр получается путем анализа различий изображений, записанных на разных длинах волн. [14] [16]
Атомно-силовая микроскопия
[ редактировать ]Рисунок 4 [ нужны разъяснения ] показывает комбинацию PSTM, AFM, [ нужны разъяснения ] и обычный микроскоп. В PSTM и AFM кантилевер из нитрида кремния может использоваться в качестве наконечника оптического зонда для одновременного выполнения (AFM) и PSTM. Это позволяет сравнивать записанный оптический сигнал с топографическими данными более высокого разрешения, полученными с помощью АСМ. Нитрид кремния является подходящим материалом для наконечника оптического зонда, поскольку он оптически прозрачен до 300 нм. Однако, поскольку он не является оптически проводящим, фотоны, собранные кончиком зонда, должны фокусироваться через линзу на детекторе, а не проходить через оптическое волокно. Прибор может работать в режиме постоянной высоты или постоянной силы, а разрешение ограничено 10–50 нм из-за свертки кончика. Поскольку на оптический сигнал, полученный в PSTM, влияют оптические свойства образца, а также топография, сравнение данных PSTM с данными АСМ позволяет определить оптическую плотность образца. В одном исследовании с использованием этого метода было зарегистрировано поглощение пленки Ленгмюра-Блоджетт 10,12-пентакосадииновой кислоты (PCA) при длине волны 514 нм. [17]
Фотокондуктивная визуализация с помощью атомно-силовой/электронно-сканирующей туннельной микроскопии
[ редактировать ]PSTM можно комбинировать как с электронным сканирующим туннельным микроскопом, так и с AFM, чтобы одновременно записывать оптическую, проводящую и топологическую информацию об образце. Этот экспериментальный аппарат, опубликованный Иватой и др., позволяет определять характеристики полупроводников, таких как фотоэлектрические элементы, а также других фотопроводящих материалов. В экспериментальной конфигурации используется кантилевер, состоящий из изогнутого оптического волокна, заточенного до диаметра кончика менее 100 нм, покрытого слоем ITO, и тонкого слоя Au. Следовательно, волоконный зонд действует как кантилевер АСМ для измерения силы, является оптически проводящим для записи оптических данных и электропроводящим для записи тока от образца. Сигналы трех методов обнаружения записываются одновременно и независимо, чтобы отделить от сигналов топографическую, оптическую и электрическую информацию.
Это устройство использовалось для характеристики фталоцианина меди, нанесенного на массив золотых квадратов, нанесенных на подложку ITO, прикрепленную к призме. Призма освещалась при полном внутреннем отражении на длинах волн 636, 533 и 441 нм (выбранных из лазера белого света с использованием оптических фильтров), что позволяло получать фотопроводящие изображения при различных длинах волн возбуждения. Фталоцианин меди — полупроводниковое металлоорганическое соединение. Проводимость этого соединения достаточно высока, чтобы электрический ток мог проходить через пленку и туннелировать в наконечник зонда. Фотопроводящие свойства этого материала приводят к увеличению проводимости при облучении из-за увеличения количества фотогенерированных носителей заряда. Оптические и топографические изображения образца были получены с использованием нового метода визуализации, описанного выше. Наблюдались изменения фотопроводимости точечных контактных участков пленки при различных длинах волн возбуждения. [18]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Янг, Джей Зи; Робертс, Ф. (1951). «Микроскоп летающего пятна» . Природа . 167 (4241). Springer Science and Business Media LLC: 231. doi : 10.1038/167231a0 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 14806436 .
- ^ Эш, Э.А.; Николлс, Г. (1972). «Апертурный сканирующий микроскоп сверхвысокого разрешения». Природа . 237 (5357). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 510–512. дои : 10.1038/237510a0 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 12635200 .
- ^ Пол, Д.В.; Денк, В.; Ланц, М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображения с разрешением λ/20» . Письма по прикладной физике . 44 (7). Издательство AIP: 651–653. дои : 10.1063/1.94865 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Бинниг, Г.; Рорер, Х.; Гербер, Ч.; Вейбель, Э. (5 июля 1982 г.). «Исследование поверхности методами сканирующей туннельной микроскопии» . Письма о физических отзывах . 49 (1). Американское физическое общество (APS): 57–61. дои : 10.1103/physrevlett.49.57 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Реддик, Колорадо; Вармак, Р.Дж.; Феррелл, ТЛ (1 января 1989 г.). «Новая форма сканирующей оптической микроскопии». Физический обзор B . 39 (1). Американское физическое общество (APS): 767–770. дои : 10.1103/physrevb.39.767 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9947227 .
- ^ Вигуре, Ж.М.; Куржон, Д.; Жирар, К. (1 октября 1989 г.). «Общие принципы сканирующей туннельной оптической микроскопии». Оптические письма . 14 (19). Оптическое общество: 1039–1041. дои : 10.1364/ол.14.001039 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 19753048 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Реддик, Колорадо; Вармак, Р.Дж.; Чилкотт, Д.В.; Шарп, СЛ; Феррелл, ТЛ (1990). «Фотонная сканирующая туннельная микроскопия» . Обзор научных инструментов . 61 (12). Издательство AIP: 3669–3677. дои : 10.1063/1.1141534 . ISSN 0034-6748 .
- ^ Гумри-Саид, С.; Саломон, Л.; Дюфур, JP; Форнель, Ф. де; Заяц, А.В. (2005). «Численное моделирование фотонной сканирующей туннельной микроскопии: роль геометрии кончика зонда в формировании изображения». Оптические коммуникации . 244 (1–6). Эльзевир Б.В.: 245–258. дои : 10.1016/j.optcom.2004.09.024 . ISSN 0030-4018 .
- ^ Гумри-Саид, С.; Саломон, Л.; Дюфур, JP; Де Форнель, Ф. (2004). «Двумерное численное моделирование фотонной сканирующей туннельной микроскопии: модальный метод Фурье и алгоритм R-матрицы». Оптическая и квантовая электроника . 36 (9). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 787–806. doi : 10.1023/b:oqel.0000040043.00570.a8 . ISSN 0306-8919 .
- ^ Сайтс, Дж.; Сангхадаса, МФМ; Сун, CC; Реддик, Колорадо; Вармак, Р.Дж.; Феррелл, ТЛ (1992). «Анализ изображений фотонного сканирующего туннельного микроскопа». Журнал прикладной физики . 71 (1). Издательство AIP: 7–10. дои : 10.1063/1.350650 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Перейти обратно: а б Шарп, СЛ; Вармак, Р.Дж.; Гудонне, Япония; Ли, И.; Феррелл, ТЛ (1993). «Спектроскопия и визуализация с использованием фотонного сканирующего туннельного микроскопа». Отчеты о химических исследованиях . 26 (7). Американское химическое общество (ACS): 377–382. дои : 10.1021/ar00031a004 . ISSN 0001-4842 .
- ^ Такахаши, Сатоши; Фудзимото, Тосиюки; Като, Кенджи; Кодзима, Исао (1 сентября 1997 г.). «Фотонный сканирующий туннельный микроскоп высокого разрешения». Нанотехнологии . 8 (3А). Издательство IOP: A54–A57. дои : 10.1088/0957-4484/8/3a/011 . ISSN 0957-4484 .
- ^ Сайки, Т.; Мононобе, С.; Оцу, М.; Сайто, Н.; Кусано, Дж. (6 мая 1996 г.). «Изготовление оптоволоконного зонда с высоким пропусканием для фотонного сканирующего туннельного микроскопа». Письма по прикладной физике . 68 (19). Издательство АИП: 2612–2614. дои : 10.1063/1.116198 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Перейти обратно: а б Мойер, П.Дж.; Янке, CL; Паеслер, Массачусетс; Реддик, Колорадо; Вармак, Р.Дж. (1990). «Спектроскопия в затухающем поле с помощью аналитического фотонного сканирующего туннельного микроскопа». Буквы по физике А. 145 (6–7). Эльзевир Б.В.: 343–347. дои : 10.1016/0375-9601(90)90946-л . ISSN 0375-9601 .
- ^ Янке, CL; Пэслер, Массачусетс (1993). «Низкотемпературный фотонный сканирующий туннельный микроскоп». Оптика ближнего поля . Том. 242. Дордрехт: Springer Нидерланды. стр. 115–120. дои : 10.1007/978-94-011-1978-8_14 . ISBN 978-94-010-4873-6 .
- ^ Пьенуар, А.; Ликоппе, К.; Крёзе, Ф. (1996). «Визуализация и локальная инфракрасная спектроскопия с помощью оптического микроскопа ближнего поля». Оптические коммуникации . 129 (5–6). Эльзевир Б.В.: 414–422. дои : 10.1016/s0030-4018(96)00174-5 . ISSN 0030-4018 .
- ^ Моерс, МХП; Тэк, Р.Г.; ван Хюлст, Северная Каролина; Бёлгер, Б. (1994). «Фотонный сканирующий туннельный микроскоп в сочетании с силовым микроскопом» (PDF) . Журнал прикладной физики . 75 (3). Издательство АИП: 1254–1257. дои : 10.1063/1.356428 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Ивата, Ф.; Сомея, Д.; Сакагути, Х.; Игасаки, Ю.; Китао, М.; Кубо, Т.; Сасаки, А. (2001). «Фотопроводящая визуализация в фотонном сканирующем туннельном микроскопе, способном измерять точечный ток с помощью проводящего волоконного зонда». Журнал микроскопии . 202 (1). Уайли: 188–192. дои : 10.1046/j.1365-2818.2001.00883.x . ISSN 0022-2720 . ПМИД 11298891 .
