Optisches Nahfeld-Rastermikroskop - Near-field scanning optical microscope
Die optische Nahfeld-Rastermikroskopie ( NSOM ) oder die optische Rasternahfeld-Mikroskopie ( SNOM ) ist eine Mikroskopietechnik zur Untersuchung von Nanostrukturen, die die Grenze der Fernfeldauflösung durchbricht , indem sie die Eigenschaften evaneszenter Wellen ausnutzt . In SNOM der Anregungslaser wird Licht durch eine Öffnung mit einem Durchmesser , der kleiner ist als die Anregungswellenlänge fokussiert, in einem evaneszenten Feld resultierende (oder Nahfeld-) auf der anderen Seite der Öffnung. Wenn die Probe in einem kleinen Abstand unterhalb der Apertur abgetastet wird, ist die optische Auflösung von transmittiertem oder reflektiertem Licht nur durch den Durchmesser der Apertur begrenzt. Insbesondere wurde eine laterale Auflösung von 20 nm und eine vertikale Auflösung von 2–5 nm nachgewiesen.
Wie in der optischen Mikroskopie kann der Kontrastmechanismus leicht angepasst werden, um verschiedene Eigenschaften wie Brechungsindex , chemische Struktur und lokale Spannungen zu untersuchen. Dynamische Eigenschaften können mit dieser Technik auch auf einer Subwellenlängenskala untersucht werden.
NSOM/SNOM ist eine Form der Rastersondenmikroskopie .
Geschichte
Edward Hutchinson Synge wird die Konzeption und Entwicklung der Idee für ein bildgebendes Instrument zugeschrieben, das durch Anregung und Sammlung von Beugungen im Nahfeld abbilden würde . Seine ursprüngliche Idee, die 1928 vorgeschlagen wurde, basierte auf der Verwendung von intensivem, fast planarem Licht aus einem Bogen unter Druck hinter einem dünnen, undurchsichtigen Metallfilm mit einer kleinen Öffnung von etwa 100 nm. Die Öffnung sollte innerhalb von 100 nm von der Oberfläche bleiben, und die Informationen sollten durch Punkt-für-Punkt-Scannen gesammelt werden. Als größte technische Schwierigkeiten sah er die Beleuchtung und die Detektorbewegung voraus. Auch John A. O'Keefe entwickelte 1956 ähnliche Theorien. Er hielt die Bewegung der Lochblende oder des Detektors in der Nähe der Probe für das wahrscheinlichste Problem, das die Realisierung eines solchen Instruments verhindern könnte. Es war Ash und Nicholls am University College London , die im Jahr 1972 zunächst das brach Abbe ‚s Beugungsgrenze mit einer Wellenlänge von 3 cm unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung. Ein Liniengitter wurde mit einer Auflösung von λ 0 /60 aufgelöst. Ein Jahrzehnt später wurde von Dieter Pohl ein Patent auf ein optisches Nahfeldmikroskop angemeldet , 1984 folgte die erste Veröffentlichung, die sichtbare Strahlung für das Nahfeldscannen verwendete. Das optische Nahfeld-Mikroskop (NFO) umfasste eine Apertur im Subwellenlängenbereich an der Spitze einer metallbeschichteten, scharf zulaufenden transparenten Spitze und einen Rückkopplungsmechanismus, um einen konstanten Abstand von wenigen Nanometern zwischen der Probe und der Sonde aufrechtzuerhalten. Lewiset al. waren sich zu dieser Zeit auch des Potenzials eines NFO-Mikroskops bewusst. Sie berichteten 1986 über erste Ergebnisse, die die Superauflösung bestätigten. In beiden Experimenten konnten Details unterhalb von 50 nm (ca. λ 0 /10) Größe erkannt werden.
Theorie
Nach Abbes Theorie der Bildentstehung, die 1873 entwickelt wurde, wird das Auflösungsvermögen einer optischen Komponente letztendlich durch die Streuung jedes Bildpunktes aufgrund von Beugung begrenzt. Wenn die Öffnung der optischen Komponente nicht groß genug ist, um das gesamte gebeugte Licht zu sammeln, entsprechen die feineren Aspekte des Bildes nicht genau dem Objekt. Die minimale Auflösung (d) für die optische Komponente wird somit durch ihre Aperturgröße begrenzt und durch das Rayleigh-Kriterium ausgedrückt :
Dabei ist λ 0 die Wellenlänge im Vakuum; NA ist die numerische Apertur für die optische Komponente (maximal 1,3–1,4 für moderne Objektive mit sehr hohem Vergrößerungsfaktor). Somit liegt die Auflösungsgrenze normalerweise bei 0 /2 für die konventionelle optische Mikroskopie.
Diese Behandlung setzt nur das in das Fernfeld gebeugte Licht voraus, das sich ohne Einschränkungen ausbreitet. NSOM verwendet evaneszente oder sich nicht ausbreitende Felder, die nur nahe der Oberfläche des Objekts existieren. Diese Felder tragen die hochfrequenten räumlichen Informationen über das Objekt und haben Intensitäten, die exponentiell mit der Entfernung vom Objekt abfallen. Aus diesem Grund muss der Detektor sehr nahe an der Probe im Nahfeldbereich platziert werden, typischerweise einige Nanometer. Als Ergebnis bleibt die Nahfeldmikroskopie in erster Linie eine Oberflächeninspektionstechnik. Der Detektor wird dann unter Verwendung eines piezoelektrischen Tisches über die Probe gerastert . Das Scannen kann entweder in konstanter Höhe oder mit regulierter Höhe über einen Feedback-Mechanismus erfolgen.
Betriebsarten
Blende und blendenloser Betrieb
Es gibt NSOM, die im sogenannten Aperture-Modus betrieben werden können und NSOM für den Betrieb in einem Non-Aperture-Modus. Wie abgebildet, sind die im Aperturless-Modus verwendeten Spitzen sehr scharf und haben keine Metallbeschichtung.
Obwohl mit den Spitzen mit Öffnungen viele Probleme verbunden sind (Erwärmung, Artefakte, Kontrast, Empfindlichkeit, Topologie und Interferenzen usw.), bleibt der Öffnungsmodus beliebter. Dies liegt vor allem daran, dass der blendenlose Modus noch komplexer einzurichten und zu bedienen ist und auch nicht verstanden wird. Es gibt fünf Hauptmodi des NSOM-Betriebs mit Öffnungen und vier Hauptmodi des NSOM-Betriebs ohne Apertur. Die wichtigsten sind in der nächsten Abbildung dargestellt.
Einige Arten von NSOM-Operationen verwenden eine Campanile-Sonde , die eine quadratische Pyramidenform mit zwei mit einem Metall beschichteten Facetten hat. Eine solche Sonde hat eine hohe Signalsammeleffizienz (> 90%) und keine Frequenzabschaltung. Eine andere Alternative sind Schemata mit "aktiver Spitze", bei denen die Spitze mit aktiven Lichtquellen wie einem Fluoreszenzfarbstoff oder sogar einer Leuchtdiode, die eine Fluoreszenzanregung ermöglicht, funktionalisiert wird.
Die Vorteile von NSOM-Konfigurationen mit und ohne Apertur können in einem Hybridsondendesign kombiniert werden, das eine metallische Spitze enthält, die an der Seite einer sich verjüngenden optischen Faser angebracht ist. Im sichtbaren Bereich (400 nm bis 900 nm) können etwa 50% des einfallenden Lichts auf den Spitzenapex fokussiert werden, der einen Radius von etwa 5 nm hat. Diese Hybridsonde kann das Anregungslicht durch die Faser liefern, um eine spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) an der Spitze der Spitze zu realisieren, und die Raman-Signale durch dieselbe Faser sammeln. Das linsenfreie Fiber-in-Fiber-out STM-NSOM-TERS wurde demonstriert.
Feedback-Mechanismen
Normalerweise werden Rückkopplungsmechanismen verwendet, um hochauflösende und artefaktfreie Bilder zu erzielen, da die Spitze innerhalb weniger Nanometer der Oberfläche positioniert werden muss. Einige dieser Mechanismen sind konstante Kraftrückkopplung und Scherkraftrückkopplung
Der Modus mit konstanter Kraftrückkopplung ähnelt dem Rückkopplungsmechanismus, der in der Rasterkraftmikroskopie (AFM) verwendet wird. Experimente können im Kontaktmodus, im intermittierenden Kontaktmodus und im kontaktlosen Modus durchgeführt werden.
Im Scherkraft-Feedback-Modus wird eine Stimmgabel neben der Spitze montiert und mit ihrer Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt. Die Amplitude steht in engem Zusammenhang mit dem Spitzen-Oberflächen-Abstand und wird daher als Rückkopplungsmechanismus verwendet.
Kontrast
Es ist möglich, die verschiedenen Kontrasttechniken, die der optischen Mikroskopie durch NSOM zur Verfügung stehen, zu nutzen, jedoch mit viel höherer Auflösung. Durch Verwendung der Änderung der Polarisation des Lichts oder der Intensität des Lichts als Funktion der einfallenden Wellenlänge ist es möglich, kontrastverstärkende Techniken wie Färbung , Fluoreszenz , Phasenkontrast und differentieller Interferenzkontrast zu verwenden . Es ist auch möglich, einen Kontrast unter Verwendung der Änderung des Brechungsindex, des Reflexionsvermögens, der lokalen Spannung und der magnetischen Eigenschaften unter anderem bereitzustellen.
Instrumentierung und Standard-Setup
Die Hauptkomponenten eines NSOM-Aufbaus sind die Lichtquelle, der Rückkopplungsmechanismus, die Abtastspitze, der Detektor und der piezoelektrische Probentisch. Die Lichtquelle ist normalerweise ein Laser, der durch einen Polarisator , einen Strahlteiler und einen Koppler in eine optische Faser fokussiert wird . Der Polarisator und der Strahlteiler würden dazu dienen, Streulicht aus dem zurückkehrenden reflektierten Licht zu entfernen . Die Abtastspitze ist je nach Betriebsmodus normalerweise eine gezogene oder gedehnte optische Faser, die außer an der Spitze mit Metall beschichtet ist, oder nur ein Standard-AFM-Cantilever mit einem Loch in der Mitte der pyramidenförmigen Spitze. Standardoptische Detektoren wie Avalanche Photodiode , Photomultiplier Tube (PMT) oder CCD können verwendet werden. Hochspezialisierte NSOM-Techniken, beispielsweise Raman- NSOM, haben viel strengere Detektoranforderungen.
Nahfeldspektroskopie
Wie der Name schon sagt, werden Informationen durch spektroskopische Mittel gesammelt, anstatt im Nahfeldbereich abgebildet zu werden. Durch die Nahfeldspektroskopie (NFS) kann man spektroskopisch mit Subwellenlängenauflösung untersuchen. Raman-SNOM und Fluoreszenz-SNOM sind zwei der beliebtesten NFS-Techniken, da sie die Identifizierung von Strukturen im Nanobereich mit chemischem Kontrast ermöglichen. Einige der gebräuchlichen spektroskopischen Nahfeldtechniken sind unten aufgeführt.
Die direkte lokale Raman-NSOM basiert auf der Raman-Spektroskopie. Aperture Raman NSOM wird durch sehr heiße und stumpfe Spitzen und durch lange Sammelzeiten eingeschränkt. Aperturlose NSOM kann jedoch verwendet werden, um hohe Raman-Streuungseffizienzfaktoren (um 40) zu erreichen. Topologische Artefakte erschweren die Implementierung dieser Technik für raue Oberflächen.
Die spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) ist ein Ableger der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS). Diese Technik kann in einem aperturlosen Scherkraft-NSOM-Aufbau oder unter Verwendung einer mit Gold oder Silber beschichteten AFM-Spitze verwendet werden. Das Raman-Signal wird unter der AFM-Spitze deutlich verstärkt. Diese Technik wurde verwendet, um lokale Variationen in den Raman-Spektren unter einer einwandigen Nanoröhre zu ergeben. Zur Detektion des Raman-Signals muss ein hochempfindliches optoakustisches Spektrometer verwendet werden.
Fluoreszenz-NSOM ist eine sehr beliebte und empfindliche Technik, die Fluoreszenz für die Nahfeld-Bildgebung nutzt und sich besonders für biologische Anwendungen eignet. Die Technik der Wahl ist hier ohne Apertur zurück zur Faseremission im Modus mit konstanter Scherkraft. Diese Technik verwendet Farbstoffe auf Merocyaninbasis , die in ein geeignetes Harz eingebettet sind. Kantenfilter werden zur Entfernung des gesamten primären Laserlichts verwendet. Mit dieser Technik kann eine Auflösung von nur 10 nm erreicht werden.
Die Nahfeldinfrarotspektrometrie und die dielektrische Nahfeldmikroskopie verwenden Nahfeldsonden, um die Submikronmikroskopie mit lokalisierter IR-Spektroskopie zu kombinieren.
Die Nano-FTIR- Methode ist eine Breitband-Nanospektroskopie, die aperturlose NSOM mit Breitbandbeleuchtung und FTIR-Detektion kombiniert, um an jedem räumlichen Ort ein vollständiges Infrarotspektrum zu erhalten. Die Empfindlichkeit gegenüber einem einzelnen Molekülkomplex und eine Auflösung im Nanobereich bis zu 10 nm wurden mit Nano-FTIR nachgewiesen.
Artefakte
NSOM kann anfällig für Artefakte sein, die nicht vom beabsichtigten Kontrastmodus stammen. Die häufigste Ursache für Artefakte bei NSOM sind Spitzenbruch während des Scannens, Streifenkontrast, verschobener optischer Kontrast, lokale Fernfeldlichtkonzentration und topographische Artefakte.
Bei einem aperturlosen NSOM, auch bekannt als Streutyp-SNOM oder s-SNOM, werden viele dieser Artefakte eliminiert oder können durch die richtige Anwendung der Technik vermieden werden.
Einschränkungen
Eine Einschränkung ist ein sehr kurzer Arbeitsabstand und eine extrem geringe Schärfentiefe . Sie beschränkt sich normalerweise auf Oberflächenstudien; es kann jedoch für Untergrunduntersuchungen innerhalb der entsprechenden Schärfentiefe angewendet werden. Im Scherkraftmodus und anderen Kontaktoperationen ist es für die Untersuchung weicher Materialien nicht förderlich. Es hat lange Scanzeiten für große Probenbereiche für eine hochauflösende Bildgebung.
Siehe auch
Verweise
Externe Links
- SNOM Scan Image Gallery at the Wayback Machine (archiviert am 2. Oktober 2008)