광자 스캐닝 현미경

Photon scanning microscopy

광자 스캐닝 터널링 현미경(PSTM)의 작동은 전자 스캐닝 터널링 현미경의 작동과 유사하며 PSTM은 샘플 표면에서 프로브 팁으로 전자 대신 광자의 터널링을 수반한다는 것이 주된 구별이다. 광선은 프리즘 내에서 전체 내부 반사를 유도하기 위해 굴절 매체의 임계 각도보다 큰 각도에서 프리즘에 집중된다. 빛의 빔이 굴절 프리즘의 표면을 통해 전체 내부 반사 하에서 전파되지는 않지만, 표면에는 여전히 반사광장이 존재한다.

반사장은 매질의 표면을 따라 전파되며 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 기하급수적으로 분해되는 입자파다. 표면파는 프리즘 표면에 놓인 표본의 지형에 의해 변형된다. 는(거리에서<>λ)에 갈아서, 광학적을 수행하는 탐침 끝을 배치하여, 광자 터널링을 통해 표면과 로켓(그들이 그렇지 않으면을 차지할 수 없을 적당한 우주)사이의 공간을 통해, 그 덧없는 분야에서 변화의 탐지와 표면의 변화를 허용하는 전파될 수 있다.t견본의 인쇄술 이러한 방식으로 PSTM은 전자 스캐닝 터널링 현미경에서와 동일한 방식으로 샘플의 표면 지형을 매핑할 수 있다.

PSTM의 한 가지 주요 장점은 전기 전도성 표면이 더 이상 필요하지 않다는 것이다. 이것은 생물 검체의 이미지를 훨씬 더 단순하게 만들고 검체를 금이나 다른 전도성 금속으로 코팅할 필요가 없게 한다. 나아가 PSTM은 샘플의 광학적 특성을 측정하는 데 사용할 수 있으며 광 발광, 흡수, 라만 분광과 같은 기법과 결합할 수 있다.

역사

원거리 조명을 활용한 기존의 광학 현미경 검사는 압베 회절 한계에 의해 제한된 해상도를 달성한다. 따라서 회절 제한 해상도를 가진 현대의 광학 현미경은 λ/2.3만큼 작은 형상을 해결할 수 있다. 연구자들은 오랫동안 초해상도 현미경을 달성하기 위해 기존 광학 현미경의 회절 한계를 타파하려고 노력해왔다. 이 목표를 향한 첫 번째 주요 진보 중 하나는 영과 로버츠에 의한 광학 현미경 검사(SOM)의 개발이었다.[1] SOM은 회절제한 개구부를 통해 조명이 들어오는 매우 작은 빛의 장으로 표본의 개별 영역을 스캔하는 것을 포함한다. 스캔한 각 지점에서 small/3만큼 작은 개별 형상이 관찰되며, 각 지점에서 수집된 영상은 샘플의 하나의 이미지로 함께 컴파일된다.

이러한 장치의 분해능은 1972년 근거리 스캐닝 광학 현미경학의 개념을 처음 입증한 [2]애쉬와 니콜스에 의해 회절 한계를 넘어 확장되었다. NSOM에서 물체는 샘플 표면에서 멀리 떨어진 곳에 위치한 파장 크기 이하의 개구부를 통해 조명된다. 이 개념은 전자파를 사용하여 처음 증명되었지만 1984년 Pohl, Denk, Lanz에 의해 광학 이미징 분야로 기술이 확장되었고, 그는 λ/20의 해상도를 달성할 수 있는 근거리 스캐닝 광학 현미경을 개발했다.[3] 1982년 비닝 외 연구진에 의한 전자 스캐닝 터널링 현미경 개발과 함께,[4] 이는 1989년 레드딕과[5] 쿠르존[6](독립적으로)에 의한 광자 스캐닝 터널링 현미경 개발로 이어졌다. PSTM은 샘플 아래 프리즘에 총 내부반사를 이용하여 반사장을 만들고 광자를 예리한 광섬유 프로브에 터널링하여 반사장의 샘플 유도 변동을 감지함으로써 STM과[clarification needed] NSOM의 기술을 결합한다.

이론

내부반영합계

두 번째 굴절률 n2 (n1>n2 포함)의 접점에서 발생한 굴절률 n의1 매개체를 통해 이동하는 빛의 빔은 발생 각도가 임계 각도보다 작을 경우 두 번째 매개체를 통해 부분적으로 전달되고 첫 번째 매개체를 통해 부분적으로 반사된다. 임계 각도에서 입사 빔은 접점에 접하는 굴절(즉, 두 매체 사이의 경계를 따라 이동한다)된다. 임계 각도보다 큰 각도에서(사건 빔이 인터페이스에 거의 평행할 때) 빛은 첫 번째 매체, 즉 총 내부 반사라고 알려진 조건 내에서 완전히 반사된다. PSTM의 경우 첫 번째 매체는 프리즘으로, 일반적으로 유리로 만들어지며, 두 번째 매체는 프리즘 위의 공기다.[5]

전계장 커플링

전체 내부 반사 하에서, 두 번째 매체를 통해 에너지가 전파되지는 않지만, 인터페이스 근처의 두 번째 매체에 여전히 0이 아닌 전기장이 존재한다. 이 필드는 인터페이스로부터의 거리가 증가하면서 기하급수적으로 감소하며, 발생 영역으로 알려져 있다. 그림 1은[clarification needed] 인터페이스(프리즘 표면)에 배치된 유전체 샘플의 존재에 의해 변조되는 반사 영역의 광학적 구성요소를 보여주고 있으므로, 이 필드에는 샘플 표면에 대한 자세한 광학 정보가 수록되어 있다. 이 영상은 회절제한 원거리장에서는 손실되지만, 근거리장 영역(거리 <거리>에서)을 프로빙하고 샘플 유도 변조를 검출하여 상세한 광학적 영상을 구성할 수 있다.[7]

이는 반사 자기장 커플링이라고도 하는 좌절된 전체 내부 반사를 통해 달성된다. 이는 굴절률 n3(n3)의2 세 번째 매체(이 경우 예리한 섬유 프로브)가 거리 < <)의 인터페이스 근처에 있을 때 발생한다. 이 거리에서 세 번째 매체는 반사장을 겹쳐 첫 번째 매질에서 빛의 총반사를 방해하고 세 번째 매질에서 파장의 전파를 허용한다. 이 과정은 양자 터널링과 유사하다; 첫 번째 매개체 내에 갇힌 광자들은 두 번째 매개체(존재할 수 없는 곳)를 통해 세 번째 매개체로 터널링할 수 있다. PSTM에서 터널링된 광자는 광섬유 프로브를 통해 검출기로 전도되며, 여기서 반사 영역의 세부 영상이 재구성될 수 있다. 탐침과 표면 사이의 결합 정도는 거리에 따라 크게 달라지는데, 이는 반사장이 인터페이스로부터의 거리의 기하급수적인 붕괴 기능이기 때문이다. 따라서 결합 정도는 표면에 배치된 표본에 대한 지형 정보를 얻기 위해 팁에서 표면까지의 거리를 측정하는 데 사용된다.[5][7]

프로브-필드 상호작용

표면으로부터 z 거리에서의 반사장의 강도는 관계에 의해 주어진다.

I~exp(--z)

여기서 γ은 밭의 부패 상수로서 다음과 같이 표현된다.

γ = 2k2(nsin³1222i - 1/21)

여기서 n12=(n1/n2), n은1 첫 번째 매체의 굴절률, n은2 두 번째 매체의 굴절률, k는 입사파 벡터의 크기, θ은i 입사각이다.붕괴 상수는 표면에서 프로브 팁까지의 광자의 투과율을 결정하는 데 사용되지만, 커플링의 정도는 또한 방출체장과 접촉하는 프로브 팁 영역의 길이, 프로브 팁 기하학 및 개구부 크기(구경 프로브)와 같은 프로브 팁의 특성에 크게 의존한다.s). 따라서 높이의 함수로써 프로브 팁에 대한 광학 커플링 정도는 특정 계측기와 프로브 팁에 대해 개별적으로 결정되어야 한다. 실제로 이는 보통 계측기 교정 중에 프로브를 표면에 수직으로 스캔하고 검출기 신호를 팁 높이의 함수로 모니터링하여 결정된다. 따라서 붕괴 상수는 경험적으로 발견되며 측면 스캔 중에 얻은 신호를 해석하고 일정한 신호 스캔 중에 압전 변환기의 피드백 지점을 설정하는 데 사용된다.[7]

붕괴 상수는 일반적으로 경험적 방법을 통해 결정되지만, 프로브 팁 기하학 및 샘플 거리를 설명하는 프로브-샘플 결합 상호작용의 자세한 수학 모델은 Goumri-Said 외 연구진에 의해 발표되었다.[8][9] 대부분의 경우, 반사장은 주로 샘플 표면 지형에 의해 변조되므로 검출된 광학 신호는 샘플의 지형으로 해석할 수 있다. 그러나 표본의 굴절률과 흡수 특성은 검출된 반사전원에 추가적인 변화를 일으킬 수 있으므로 지형 데이터에서 광학 데이터를 분리할 필요가 있다. 이는 종종 PSTM을 AFM과[clarification needed] 같은 다른 기법과 결합함으로써 이루어진다(아래 참조). 또한 Reddick은 샘플 표면의 산란과 흡광도와 같은 이차 효과에 의한 반사장의 변조를 설명하기 위해 이론적 모델을 개발했다.[10]

절차

그림 2는[clarification needed] PSTM의 작동과 원리를 보여준다. 삼각 프리즘 내의 전체 내부 반사를 위해 감쇠된 총 반사 기하학에서 레이저 빔을 사용하여 반사장을 확보한다. 견본을 유리나 석영 슬라이드에 놓고 프리즘에 인덱스 매칭 젤로 부착한다. 그런 다음 샘플은 전체 내부 반사가 발생하는 표면이 된다. 프로브는 스캔 중 프로브 팁의 미세한 움직임을 제어하기 위해 압전 변환기에 부착된 광섬유의 날카로운 팁으로 구성된다. 광섬유의 끝은 검출기 역할을 하는 광전자 증배관에 연결된다. 프로브 팁과 압전 변환기는 샘플 위에 장착된 스캐너 카트리지 안에 들어 있다. 이 어셈블리의 위치는 프로브 팁이 방출장 터널링 거리 내에 오도록 수동으로 조정된다.[5][11]

광자가 전도성 장에서 프로브 팁으로 터널을 통과하면 광섬유를 따라 광전자 증배관에 전달되며, 광자가 전기 신호로 변환된다. 광전자 증배관의 전기 출력 진폭은 프로브에 의해 수집된 광자의 수와 정비례하므로 샘플 표면의 반사 전계장과 프로브의 상호작용 정도를 측정할 수 있다. 이 장은 표면으로부터의 거리가 증가하면서 기하급수적으로 감소하기 때문에, 면의 강도 정도는 표본 표면으로부터의 프로브의 높이에 해당한다. 전기신호는 검출된 전계 강도의 해당 변화에 기초하여 표면의 지형이 매핑되는 컴퓨터로 전송된다.[7][11]

광전자 증배관의 전력은 압전 변환기에 대한 일정한 피드백으로 사용되어 표면 지형의 변화에 따라 팁의 높이를 조절한다. 기기를 교정하고 프로브 높이의 함수로 필드 강도의 붕괴 상수를 결정하기 위해 프로브를 샘플 표면에 수직으로 스캔해야 한다. 이 스캔 중에 피에조 변환기가 측면 스캔 중에 일정한 신호 강도를 유지할 수 있도록 피드백 포인트가 설정된다.[7]

섬유 프로브 팁

PSTM 기기의 분해능은 프로브 팁 기하학 및 직경에 크게 의존한다. 탐침은 일반적으로 HF 용액에서 광섬유의 화학적 식각을 통해 제조되며, 개구부 또는 개구부가 없을 수 있다. 화학적 식각법을 이용해 곡률 반경이 20nm나 되는 섬유 팁을 만들었다. 조리개 달린 끝에서, 날카롭게 깎은 섬유 옆면은 금속이나 다른 재료로 코팅된 스퍼터다. 이는 보다 일관되고 정확한 전계장 커플링을 유지하기 위해 광자가 프로브 측면으로 터널링되는 것을 제한하는 데 도움이 된다. 섬유 프로브의 강성으로 인해 표면과 잠깐 접촉해도 프로브 팁이 파괴된다.[12]

프로브 팁이 클수록 전계장과의 결합도가 높아지므로 전계장과 상호작용하는 광섬유의 넓은 영역으로 인해 채집 효율성이 높아진다. 큰 팁의 일차적인 한계는 광자가 프로브의 측면으로 터널링할 뿐만 아니라 더 거친 표면 특징과 충돌할 확률을 증가시키는 것이다. 충돌 없이 더 많은 돌발적인 표면 형상을 해결하기 위해서는 더 좁은 프로브 팁이 필요하지만, 수집 효율은 감소할 것이다.

그림 3은[clarification needed] 금속 코팅이 있는 섬유 프로브를 보여준다. 금속 코팅 섬유 프로브에서는 프로브 끝에 있는 구멍의 직경과 기하학 또는 코팅되지 않은 부분이 채집 효율을 결정한다. 원뿔 각도가 넓으면 개구부 직경이 커지고 프로브 길이가 짧아지는 반면, 원뿔 각도가 좁아지면 개구부 직경이 작아지고 프로브 길이가 길어진다. 이중 테이퍼형 프로브 팁은 탐촉자의 길고 좁은 영역이 원뿔 각도가 더 넓은 팁으로 테이퍼되는 형태로 개발되었다. 이것은 충돌 위험이 낮은 갑작스러운 표면 특징을 해결할 수 있는 긴 좁은 프로브 팁을 유지하면서 더 큰 채집 효율을 위한 넓은 구멍을 제공한다.[13]

PSTM 결합 분광기법

광발광

수정된 PSTM 계측기를 사용하여 광 발광 스펙트럼을 기록할 수 있다는 것이 입증되었다. PSTM에 광 발광 분광학을 결합하면 샘플의 국소 나노경 영역에서 방출되는 것을 관찰할 수 있으며, 비균형 샘플의 표면 형태학이나 화학적 차이로 인해 물질의 광 발광 특성이 어떻게 변화하는지 이해할 수 있다. 이 실험에서는 내부 전체 반사 아래 442nm의 He-Cd 레이저 빔을 흥분원으로 사용하였다. 광섬유의 신호는 먼저 단색화기를 거쳐 광전자 증배관에 도달하여 신호를 기록하였다. 루비 크리스털 샘플의 국부 영역에서 광 발광 스펙트럼이 기록되었다.[14] 후속 간행물은 액화 질소 하에서 냉각된 Cr3+ 이온 이식 사파이어의 형광 스펙트럼을 기록하기 위한 PSTM의 사용을 성공적으로 입증했다. 이 기법은 광 발광 특성이 고온 의존성이 높으며 극저온에서 연구해야 하는 반도체 샘플의 개별 표면 특성화를 가능하게 한다.[15]

적외선

PSTM은 적외선 범위에서 스펙트럼을 기록하도록 수정되었다. 캐스케이드 호와 프리 일렉트로닉 레이저 CLIO를[clarification needed] 적외선 광원으로 활용하여 디아조퀴논 수지로부터 적외선 흡수 스펙트럼을 기록하였다. 이 작동 모드에서는 사용되는 적외선 파장을 효과적으로 수집하고 기록하기 위해 불소 유리섬유와 HgCdTe 검출기가 필요하다. 또한, 섬유 팁은 배경 소음을 충분히 줄이기 위해 금속 코팅되고 수집 중에 진동해야 한다. 표면은 먼저 샘플에 흡수되지 않는 파장을 사용하여 이미징해야 한다. 다음으로 광원은 채집 중 각 지점에서 관심 있는 적외선 파장을 통해 밟힌다. 스펙트럼은 다른 파장에서 기록된 영상의 차이를 분석하여 얻는다.[14][16]

원자력 현미경

그림 4는[clarification needed] PSTM, AFM,[clarification needed] 재래식 현미경의 조합을 보여준다. PSTM과 AFM에서는 질화규소 캔틸레버를 광학 프로브 팁으로 사용하여 동시에 (AFM)과 PSTM을 수행할 수 있다. 이를 통해 기록된 광 신호를 AFM이 획득한 고해상도 지형 데이터와 비교할 수 있다. 질화실리콘은 300nm까지 광학적으로 투명해 광학 프로브 팁에 적합한 소재다. 단, 광학적으로 전도하지 않기 때문에 프로브 팁에 의해 수집된 광자는 광섬유를 통해 이동하는 대신 렌즈를 통해 검출기에 집중해야 한다. 기기는 일정한 높이 또는 일정한 힘 모드로 작동할 수 있으며, 팁 콘볼루션으로 인해 분해능이 10-50nm로 제한된다. PSTM에서 얻은 광신호는 지형은 물론 샘플의 광학적 특성에 영향을 받기 때문에 PSTM 데이터를 AFM 데이터와 비교하면 샘플의 흡광도를 판단할 수 있다. 한 연구에서 10,12-펜타코사디노산(PCA)의 Langmuir-Blodgett 필름의 514nm 흡광도를 이 방법으로 기록했다.[17]

원자력/전자 스캐닝 터널링 현미경을 이용한 광전도 영상

PSTM은 샘플의 광학, 전도성 및 위상학적 정보를 동시에 기록하기 위해 전자 스캐닝 터널링 현미경 및 AFM과 결합할 수 있다. 이와타 외 연구진이 발간한 이 실험장비는 태양광 등 반도체는 물론 다른 광전도성 재료의 특성화가 가능하다. 실험 구성은 팁 직경 100nm 이하로 날카롭게 깎은 구부러진 광섬유와 ITO 레이어로 코팅된 얇은 Au 레이어로 구성된 캔틸레버를 활용한다. 따라서, 섬유 탐침은 힘 감지를 위한 AFM 캔틸레버 역할을 하며, 광학 데이터를 기록하는 광학 전도성이며, 샘플로부터 전류를 기록하는 전기 전도성이 있다. 지형적, 광학적, 전기적 정보를 신호에서 분리하기 위해 세 가지 검출 방법의 신호를 동시에 독립적으로 기록한다.

이 기구는 프리즘에 부착된 ITO 기판에 무늬를 새긴 금제 사각형 위에 축적된 구리 프탈로시아닌의 특징을 나타내는 데 사용되었다. 프리즘은 636nm, 533nm, 441nm(광학 필터를 사용한 백색 광 레이저에서 선택됨)의 총 내부 반사 하에서 조명되어 서로 다른 흥분 파장에서 광전도 영상이 가능했다. 구리 프탈로시아닌은 반도체성 유기농 화합물이다. 이 화합물의 전도도는 전류가 필름을 통과하여 프로브 팁으로 터널을 통과할 수 있을 만큼 충분히 높다. 이 물질의 광전도성 특성은 광 생성 충전 캐리어의 수 증가로 인해 조사 시 전도성이 증가하게 된다. 샘플의 광학적, 지형적 이미지는 위에서 설명한 새로운 이미지 기법을 이용하여 얻었다. 필름의 점 접촉 영역의 광전도성 변화는 서로 다른 흥분 파장에서 관찰되었다.[18]

참조

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