근거리 주사 광학 현미경

Near-field scanning optical microscope
NSOM 파이버프로브로부터의 빛의 회절을 포함한 근거리 광학을 나타내는 그림으로, 빛의 파장과 [1]근거리장을 나타냅니다.
NSOM을 사용하여 몰리브덴 이황화물 플레이크에서 기록된 광발광 지도와 캄파닐 프로브(위) 및 기존 공초점 현미경(아래) 비교.스케일바: [2]1μm

근시야 주사광학현미경(NSOM) 또는 주사근시야광학현미경(SNOM)은 근시야파 특성을 이용해 원시야 분해능 한계를 깨는 나노구조 조사용 현미경 기법이다.SNOM에서 여자 레이저광은 여자 파장보다 작은 직경의 개구부를 통해 집속되며,[3] 그 결과 개구부의 반대쪽에 에버넨트 필드(또는 근접 필드)가 발생한다.시료를 조리개 아래의 작은 거리에서 스캔할 경우 투과 또는 반사광의 광학 분해능은 조리개 직경에 의해서만 제한됩니다.특히 가로 해상도는 6nm이고[4] 세로 해상도는 2-5nm이다.[5][6]

광학 현미경 검사와 마찬가지로 조영 메커니즘은 굴절률, 화학 구조 및 국소 응력 등의 다른 특성을 연구하기 위해 쉽게 적응할 수 있습니다.동적 특성은 이 기술을 사용하여 하위 파장 스케일로도 연구할 수 있습니다.

NSOM/SNOM은 스캔 프로브 현미경의 한 형태입니다.

역사

Edward Hutchinson Synge는 가까운 분야에서 회절을 수집하고 흥분시켜 이미지를 만드는 이미징 기구에 대한 아이디어를 구상하고 개발한 공로를 인정받았다.1928년에 제안된 그의 원래 아이디어는 약 100 nm의 작은 오리피스를 가진 얇고 불투명한 금속막 뒤에서 압력을 받는 호에서 나오는 강렬한 거의 평면적인 빛을 사용하는 것에 바탕을 두고 있다.오리피스는 표면으로부터 100nm 이내에 있어야 하며, 정보는 점별 스캔을 통해 수집되어야 한다.그는 조명과 검출기 움직임이 가장 큰 기술적 [7][8]어려움이라고 예측했다.존 A. 오키프도 1956년에 비슷한 이론을 개발했다.그는 핀홀이나 검출기가 샘플에 매우 가까이 있을 때 움직이는 것이 그러한 [9][10]기기의 실현을 방해할 수 있는 가장 가능성이 높은 문제라고 생각했다.1972년 파장 3cm의 극초단파 방사선을 이용해 아베의 회절 한계를 처음으로 깬 사람은 유니버시티 칼리지 런던의 애쉬와 니콜스였다.δ0/[11]60 분해능으로 라인 그레이팅을 해결했습니다.10년 후, 디터 [12]폴이 광학 근접장 현미경에 대한 특허를 출원했고, 1984년 근접장 [13]스캔을 위해 가시 방사선을 사용한 최초의 논문이 그 뒤를 이었다.근접장광학(NFO) 현미경은 날카롭게 코팅된 투명 팁의 꼭대기에 서브파장 개구부와 샘플과 프로브 사이에 수 나노미터의 일정한 거리를 유지하는 피드백 메커니즘을 포함했습니다.루이스 외 연구진도 당시 [14]NFO 현미경의 가능성을 알고 있었다.1986년에 [15][16]초해상도를 확인한 최초의 결과를 보고했습니다.두 실험 모두 크기가 50nm(약 µ0/10) 미만인 세부사항을 인식할 수 있었다.

이론.

1873년에 개발된 아베의 상 형성 이론에 따르면, 광학 부품의 분해능력은 회절에 의한 각 상점의 확산에 의해 궁극적으로 제한된다.광학 컴포넌트의 개구부가 회절된 빛을 모두 모을 수 있을 정도로 크지 않으면 이미지의 미세한 부분이 물체에 정확하게 대응하지 않습니다.따라서 광학 구성요소의 최소 분해능(d)은 조리개 크기에 의해 제한되며 레일리 기준에 의해 표현됩니다.

여기서 θ는0 진공 중의 파장이고, NA는 광학 부품의 수치 개구부이다(매우 높은 배율을 가진 현대 목표의 경우 최대 1.3–1.4).따라서 기존의 광학 현미경 [17]검사에서는 분해능 한계는 보통 δ0/2 정도 됩니다.

이 처리에서는 아무런 제한 없이 전파되는 원거리장으로 회절되는 빛만 가정합니다.NSOM은 개체 표면 근처에만 존재하는 everanent 필드 또는 비전파 필드를 사용합니다.이러한 필드는 물체에 대한 고주파 공간 정보를 전달하고 물체와의 거리에 따라 기하급수적으로 감소하는 강도를 가집니다.따라서 검출기는 가까운 필드 영역(일반적으로 수 나노미터)의 샘플에 매우 가깝게 배치해야 합니다.그 결과, 근거리 현미경은 주로 표면 검사 기술로 남아 있다.그런 다음 압전 단계를 사용하여 검체 전체에 검출기를 래스터링합니다.스캔은 일정한 높이에서 수행되거나 피드백 [18]메커니즘을 사용하여 조정된 높이에서 수행될 수 있습니다.

동작 모드

조리개 및 조리개 없는 작동

a) 전형적인 금속 코팅 팁과 b) 날카로운 코팅되지 않은 [19]팁의 스케치.

이른바 조리개 모드로 동작할 수 있는 NSOM과 비조리개 모드로 동작하는 NSOM이 있습니다.그림과 같이 조리개 없는 모드에서 사용되는 팁은 매우 날카롭고 금속 코팅이 없습니다.

개구 팁(발열, 아티팩트, 콘트라스트, 감도, 토폴로지, 간섭 등)과 관련된 많은 문제가 있지만 조리개 모드는 여전히 인기가 있습니다.이는 주로 조리개 없는 모드는 설정 및 조작이 훨씬 더 복잡하고 이해되지 않기 때문입니다.개구 NSOM 동작에는 5가지 주요 모드가 있으며 개구 없는 NSOM 동작에는 4가지 주요 모드가 있습니다.주요 항목은 다음 그림에 나와 있습니다.

개구 동작 모드: a) 조명, b) 집전, c) 조명 집전, d) 반사 및 e) 반사 집전.[20]
무개구 동작 모드: a) 선명한 투명 선단에 의한 광자 터널링(PSTM), b) 매끄러운 표면의 날카로운 불투명 선단에 의한 PSTM, c) 이중 [19]변조에 의한 주사 간섭계 무개구 현미경.

NSOM 작동의 일부 유형은 캄파닐 프로브를 사용합니다. 캄파닐 프로브는 정사각형 피라미드 모양으로 2개의 패싯이 금속으로 코팅되어 있습니다.이러한 프로브는 신호 수집 효율(>90%)이 높고 주파수 [21]컷오프도 없습니다.또 다른 대안은 형광[22] 염료나 형광 들뜸을 [23]가능하게 하는 발광 다이오드와 같은 활성 광원으로 팁이 기능하는 "액티브 팁" 방식입니다.

개구부와 개구부가 없는 NSOM 구성의 장점은 테이퍼형 광섬유의 측면에 금속 팁이 부착된 하이브리드 프로브 설계에 결합할 수 있습니다.가시 범위(400nm~900nm)에서는 입사광의 약 50%가 반경 약 5nm인 팁 정점에 집중될 수 있습니다.이 하이브리드 프로브는 광섬유를 통해 여기광을 전달하여 팁 정점에서 팁 강화 라만 분광법(TERS)을 실현하고 동일한 파이버를 통해 라만 신호를 수집할 수 있습니다.렌즈가 없는 파이버 인 파이버 아웃 STM-NSOM-TERS가 [24]실증되었습니다.

피드백 메커니즘

피드백 메커니즘은 팁이 표면에서 몇 나노미터 이내에 위치해야 하므로 일반적으로 고해상도 및 아티팩트 프리 이미지를 얻기 위해 사용됩니다.이러한 메커니즘 중 일부는 일정한 힘 피드백과 전단력 피드백입니다.

정력 피드백 모드는 원자력 현미경 검사(AFM)에서 사용되는 피드백 메커니즘과 유사합니다. 접촉 모드, 간헐 접촉 모드 및 비접촉 모드에서 실험을 수행할 수 있습니다.

전단력 피드백 모드에서는 선단에 따라 음차를 장착하고 그 공진 주파수로 진동시킨다.진폭은 팁 표면 거리와 밀접하게 관련되므로 피드백 [18]메커니즘으로 사용됩니다.

대비

NSOM을 통해 광학 현미경 검사에 사용 가능한 다양한 조영 기술을 훨씬 더 높은 분해능으로 활용할 수 있습니다.입사 파장의 함수로서 빛의 편광의 변화나 빛의 강도를 이용하는 것으로, 염색, 형광, 위상 콘트라스트, 차분 간섭 콘트라스트등의 콘트라스트 강화 기술을 이용할 수 있다.굴절률,[18][19] 반사율, 국소응력 및 자기특성의 변화를 이용하여 대비를 제공할 수도 있다.

계측 및 표준 셋업

전단력 거리 제어 및 교차 편광에 의한 무개구 반사 섬유 역방향 NSOM 설정의 블록 다이어그램. 1: 빔 스플리터 및 교차 편광자, 2: 전단력 배치, 3: 피에조 [20]스테이지의 샘플 마운트.

NSOM 설정의 주요 구성요소는 광원, 피드백 메커니즘, 스캔 팁, 검출기 및 압전 샘플 단계입니다.광원은 보통 편광자, 빔 스플리터 및 커플러를 통해 광섬유에 집속되는 레이저입니다.편광자와 빔 스플리터는 반사된 빛에서 유광을 제거하는 역할을 한다.스캔 팁은 동작 모드에 따라 보통 금속으로 코팅된 당겨지거나 늘어나는 광섬유입니다.단, 피라미드 팁 중앙에 구멍이 있는 표준 AFM 캔틸레버입니다.눈사태 포토다이오드, 광전자 증배관(PMT) 또는 CCD와 같은 표준 광학 검출기를 사용할 수 있다.예를 들어 Raman NSOM과 같은 고도로 전문화된 NSOM 기술은 훨씬 더 엄격한 검출기 요건을 [19]가진다.

근접장 분광법

이름에서 알 수 있듯이 근방영역에서의 촬영이 아닌 분광학적 방법으로 정보를 수집한다.근장분광학(NFS)을 통해 준파장 분해능으로 분광탐사를 할 수 있다.Raman SNOM과 형광 SNOM은 화학적 대비로 나노사이즈 기능을 식별할 수 있기 때문에 가장 인기 있는 NFS 기술 중 두 가지입니다.일반적인 근거리 분광기법 중 일부는 다음과 같다.

직접 국소 라만 NSOM은 라만 분광법에 기초한다.Aperture Raman NSOM은 매우 뜨겁고 무딘 팁과 긴 수집 시간으로 인해 제한됩니다.단, 개구 없는 NSOM을 사용하여 높은 라만 산란 효율 계수를 달성할 수 있습니다(약 40).토폴로지 아티팩트로 인해 거친 표면에 이 기술을 구현하기가 어렵습니다.

팁 강화 라만 분광법(TERS)은 표면 강화 라만 분광법(SERS)의 분파이다.이 기술은 조리개 없는 전단력 NSOM 설정에서 사용하거나 금 또는 은으로 코팅된 AFM 팁을 사용하여 사용할 수 있습니다.Raman 신호는 AFM 팁 아래에서 대폭 강화됩니다.이 기술은 단벽 나노튜브 아래에서 라만 스펙트럼의 국소적 변화를 주기 위해 사용되어 왔다.Raman 신호를 감지하려면 고감도 광음향 분광계를 사용해야 합니다.

형광 NSOM은 근거리 촬영에 형광을 사용하는 매우 인기 있고 민감한 기술이며, 특히 생물학적 용도에 적합합니다.여기서 선택한 기술은 일정한 전단력 모드에서 파이버 방출에 대해 조리개가 없는 것입니다.이 기술은 적절한 수지에 내장된 메로시아닌 기반 염료를 사용합니다.에지 필터는 모든 1차 레이저 광선을 제거하는 데 사용됩니다.이 [citation needed]기술을 사용하면 10nm의 낮은 분해능을 얻을 수 있습니다.

근야 적외선 분광법과 근야 유전체[19] 현미경은 근야 탐침을 사용하여 서브미크론 현미경과 국부적 IR 분광법을 [25]결합합니다.

나노-FTIR[26] 방식은 무개구 NSOM과 광대역 조명 및 FTIR 검출을 결합하여 모든 공간 위치에서 완전한 적외선 스펙트럼을 얻는 광대역 나노스케일 분광법이다.단일 분자 복합체에 대한 민감도와 최대 10nm의 나노 해상도는 나노-FTIR로 [27]입증되었습니다.

나노포커스 기술은 첨단부에 나노미터 크기의 "하얀" 광원을 만들어 낼 수 있으며, 이는 분광 분석을 위해 근거리 시료를 비추는 데 사용될 수 있습니다.개별 단일 벽 카본 나노튜브의 밴드 간 광학적 전이가 이미징되고 약 6 nm의 공간 분해능이 보고되었습니다.[28]

아티팩트

NSOM은 의도된 대비 모드가 아닌 아티팩트에 취약할 수 있습니다.NSOM에서 아티팩트의 가장 일반적인 근원은 스캔 중 팁 파손, 스트라이프 대비, 변위된 광학 대비, 로컬 원거리 필드 광 집중 및 지형 아티팩트입니다.

산란형 SNOM 또는 s-SNOM이라고도 하는 무개구 NSOM에서는 이러한 아티팩트의 많은 부분이 제거되거나 적절한 기술 [29]적용에 의해 회피될 수 있습니다.

제한 사항

한 가지 제한사항은 매우 짧은 작동 거리 및 매우 얕은 필드 깊이입니다.일반적으로 지표면 연구에 국한되지만 해당 필드 깊이 내의 지표면 조사에 적용할 수 있습니다.전단력 모드 및 기타 접촉 작동에서는 연질 재료 연구에 도움이 되지 않습니다.고해상도 [citation needed]이미징을 위해 큰 샘플 영역에 대한 스캔 시간이 길어집니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크