Войти
Диаграмма, иллюстрирующая оптику ближнего поля с дифракцией света, исходящего от волоконного зонда NSOM, показывающая длину волны света и ближнее поле. 
Сравнение карт фотолюминесценции, записанных от чешуйки дисульфида молибдена с использованием NSOM с колоколообразным зондом (вверху) и обычным конфокальная микроскопия (внизу). Масштаб: 1 мкм. Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (NSOM ) или сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (SNOM ) - это микроскопия метод исследования наноструктур, который нарушает предел разрешения в дальней зоне , используя свойства затухающих волн. В СБОМ свет возбуждающего лазера фокусируется через апертуру с диаметром меньше длины волны возбуждения, что приводит к исчезновению поля (или ближнего поля) на дальней стороне диафрагма. 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.
Как и в оптической микроскопии, механизм контрастирования может быть легко адаптирован для изучения различных свойств, таких как показатель преломления, химическая структура и местное напряжение. С помощью этого метода также можно изучать динамические свойства в субволновом масштабе.
NSOM / SNOM - это форма сканирующей зондовой микроскопии.
Эдвард Хатчинсон Синдж получил признание за создание и развитие идеи прибора для получения изображений, 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. Джон А. О'Киф также разработал аналогичные теории в 1956 году. Он думал, что движение точечного отверстия или детектора, когда оно находится так близко к Образец был бы наиболее вероятной проблемой, которая могла бы помешать реализации такого инструмента. Именно Эш и Николлс в 1972 году первыми превысили дифракционный предел Аббе , используя излучение с длиной волны 3 см. Линейная решетка была разрешена с разрешением λ 0 / 60. Десятилетием позже Поль получил патент на оптический микроскоп ближнего поля, а в 1984 году - первая статья, в которой использовалось видимое излучение для сканирования ближнего поля. 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. Они сообщили о первых результатах в 1986 году, подтверждающих сверхразрешение. В обоих экспериментах можно было распознать детали размером менее 50 нм (примерно λ 0 / 10).
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.
Эта обработка предполагает только свет, дифрагированный в дальнее поле, которое распространяется без каких-либо ограничений. NSOM использует нераспространяющиеся 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 прежде всего методом контроля поверхности. Затем детектор растрируется по образцу с использованием пьезоэлектрического столика. Сканирование может производиться либо на постоянной высоте, либо на регулируемой высоте с использованием механизма обратной связи.
Эскиз а) типичного металлического покрытия б) острый наконечник без покрытия. Существуют NSOM, которые могут работать в так называемом апертурном режиме, и NSOM для работы в безапертурном режиме. Как показано, наконечники, используемые в режиме без апертуры, очень острые и не имеют металлического покрытия.
Хотя существует 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 диафрагмой: а) освещение, б) сбор, в) сбор света, г) отражение и д) сбор отражений. 
Режимы работы без апертуры: а) туннелирование фотонов (PSTM) с помощью острого прозрачного наконечника, b) PSTM с помощью острого непрозрачного наконечника на гладкой поверхности, и c) сканирующая интерферометрическая безапертурная микроскопия с двойной модуляцией. В некоторых типах операций NSOM используется колоколообразный зонд, который имеет форму квадратной пирамиды с двумя грани покрыты металлом. Такой зонд имеет высокую эффективность сбора сигнала (>90%) и отсутствие частотной отсечки. Другой альтернативой являются схемы с «активным наконечником», в которых наконечник снабжен активными источниками света, такими как флуоресцентный краситель или даже светоизлучающий диод, который обеспечивает возбуждение флуоресценции.
Достоинства апертурных и безапертурных конфигураций NSOM могут быть объединены в гибридную конструкцию зонда, которая 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, что составляет радиусом около 5 нм. Этот гибридный зонд может передавать возбуждающий свет через волокно для реализации рамановской спектроскопии с усилением кончика (TERS) на вершине кончика наконечника и сбора рамановских сигналов через то же волокно. Было продемонстрировано свободное волокно в волоконно-выходном STM-NSOM-TERS.
Механизмы обратной связи обычно используются для получения изображений с высоким разрешением и без артефактов, так как наконечник должен быть расположен в пределах нескольких нанометров от поверхности. Некоторые из них Это обратная связь по постоянной силе и обратная связь 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 поперечной силе камертон устанавливается рядом с наконечником и заставляет колебаться на своей резонансной частоте. Амплитуда тесно связана с расстоянием между наконечником и поверхностью и поэтому используется в качестве механизма обратной связи.
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 повышения контрастности, 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.
Блок-схема безапертурного отражения в обратном направлении. оптоволоконная установка НСОМ с контролем расстояния сдвига и кросс-поляризацией; 1: светоделитель и скрещенные поляризаторы; 2: устройство сдвига; 3: крепление образца на пьезоэлементе. Основными компонентами установки NSOM являются источник света, механизм обратной связи, сканирующий наконечник, детектор и пьезоэлектрический предметный столик. Источником света обычно является лазер, фокусируемый в оптическое волокно через поляризатор, светоделитель и ответвитель. Поляризатор и светоделитель служат для удаления рассеянного 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. Могут использоваться стандартные оптические детекторы, такие как лавинный фотодиод, фотоумножитель трубка (ФЭУ) или ПЗС. Высокоспециализированные методы NSOM, например Raman NSOM, предъявляют гораздо более строгие требования к детекторам.
Как следует из названия, информация собирается с помощью спектроскопических средств, а не визуализации в режиме ближнего поля. С помощью спектроскопии ближнего поля (NFS) можно проводить зондирование с субволновым разрешением. Рамановский СБОМ и флуоресцентный СБОМ являются двумя наиболее популярными методами NFS, поскольку они позволяют идентифицировать наноразмерные элементы с помощью химического контраста. Ниже приведены некоторые из распространенных методов спектроскопии ближнего поля.
Прямая локальная рамановская NSOM основана на рамановской спектроскопии. Рамановский NSOM с апертурой 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 усилением поверхности (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 используют зонды ближнего поля для объединения субмикронной микроскопии с локальной ИК-спектроскопией.
Метод нано-FTIR - это широкополосная наноразмерная спектроскопия, в которой используется широкополосная освещение и обнаружение FTIR для получения полного инфракрасного спектра в любом месте. Чувствительность к одному молекулярному комплексу и наноразмерное разрешение до 10 нм были продемонстрированы с помощью нано-FTIR.
NSOM может быть уязвим для артефактов, которые не связаны с предполагаемым режимом контраста. 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.
Одно ограничение - очень малое рабочее расстояние и очень малая глубина резкости. Обычно это ограничивается исследованиями поверхности; однако его можно применять для геолого-геофизических исследований с соответствующей глубиной резкости. В режиме силы сдвига и других контактных операциях он не способствует изучению мягких материалов. Он имеет длительное время сканирования для больших площадей образцов для получения изображений с высоким разрешением.
