WikiDer > Фотонная сканирующая микроскопия

Photon scanning microscopy

Работа фотонный сканирующий туннельный микроскоп (PSTM) аналогична работе электронный сканирующий туннельный микроскоп (ESTM), причем основное отличие состоит в том, что PSTM включает туннелирование фотонов вместо электронов от поверхности образца к наконечнику зонда. Луч света фокусируется на призме под углом, превышающим критический угол преломляющей среды, чтобы вызвать полное внутреннее отражение (TIR) ​​внутри призмы. Несмотря на то, что луч света не распространяется через поверхность преломляющей призмы под действием TIR, на поверхности все еще присутствует исчезающее поле света.

Эванесцентное поле - это стоячая волна, которая распространяется вдоль поверхности среды и экспоненциально затухает с увеличением расстояния от поверхности. Поверхностная волна модифицируется топографией образца, который помещается на поверхность призмы. Поместив заостренный оптически проводящий наконечник зонда очень близко к поверхности (на расстоянии <λ), фотоны способны 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, таким образом, изменения в топография поверхности образца. Таким образом, PSTM может отображать топографию поверхности образца почти так же, как в ESTM.

Одним из основных преимуществ PSTM является то, что больше нет необходимости в электропроводящей поверхности. Это значительно упрощает визуализацию биологических образцов и устраняет необходимость покрывать образцы золотом или другим проводящим металлом. Кроме того, PSTM может использоваться для измерения оптических свойств образца и может сочетаться с такими методами, как фотолюминесценция, поглощение, и Рамановская спектроскопия.

История

Обычная оптическая микроскопия, использующая освещение в дальней зоне, обеспечивает разрешение, ограниченное дифракционным пределом Аббе. Таким образом, современные оптические микроскопы с дифракционно ограниченным разрешением способны разрешать детали с λ / 2.3. Исследователи давно стремились преодолеть дифракционный предел обычной оптической микроскопии, чтобы получить микроскопы сверхвысокого разрешения. Одним из первых крупных достижений в достижении этой цели было развитие сканирующей оптической микроскопии (SOM) Янгом и Робертсом в 1951 году.[1] SOM включает сканирование отдельных областей образца с помощью очень небольшого поля света, освещаемого через дифракционную диафрагму. В каждой точке сканирования наблюдаются отдельные детали размером до λ / 3, а изображение, собранное в каждой точке, затем объединяется в одно изображение образца.

Разрешение этих устройств было расширено за дифракционный предел в 1972 году Эшем и Николлсом,[2] кто первым продемонстрировал концепцию сканирующей оптической микроскопии ближнего поля. В NSOM объект освещается через апертуру размером менее длины волны, расположенную на расстоянии <λ от поверхности образца. Впервые эта концепция была продемонстрирована с использованием микроволн, однако в 1984 году эта техника была расширена в области оптического изображения Полом, Денком и Ланцем, которые разработали сканирующий оптический микроскоп ближнего поля, способный достигать разрешения λ / 20.[3] Наряду с развитием электронной сканирующей туннельной микроскопии (ESTM) в 1982 году Биннингом и др.,[4] Это привело к разработке Реддиком сканирующего туннельного микроскопа фотонов.[5] и Куржон[6] (независимо) в 1989 году. PSTM сочетает в себе методы STM и NSOM, создавая исчезающее поле с использованием полного внутреннего отражения в призме под образцом и обнаруживая индуцированные образцом изменения затухающего поля путем туннелирования фотонов в заостренный оптоволоконный зонд.

Теория

Полное внутреннее отражение

Луч света, проходящий через среду с показателем преломления n1 падающий на границу раздела со второй средой с показателем преломления n2 (с n1> п2) будет частично проходить через вторую среду и частично отражаться обратно через первую среду, если угол падения меньше критического. При критическом угле падающий луч будет преломляться по касательной к границе раздела (т.е. он будет проходить вдоль границы между двумя средами). Под углом, превышающим критический (когда падающий луч почти параллелен границе раздела), свет будет полностью отражаться внутри первой среды, это состояние известно как полное внутреннее отражение. В случае PSTM первая среда представляет собой призму, обычно сделанную из стекла, а вторая среда - воздух над призмой.[5]

Evanescent field связь

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 затухающее поле. На рис. 1 показано, что оптическая составляющая затухающего поля модулируется наличием диэлектрического образца, помещенного на границу раздела (поверхность призмы), поэтому поле содержит подробную оптическую информацию о поверхности образца. Хотя это изображение теряется в ограниченном дифракцией дальнем поле, подробное оптическое изображение может быть построено путем зондирования области ближнего поля (на расстоянии <λ) и обнаружения модуляции затухающего поля, вызванной образцом.[7]

Это достигается за счет нарушенного полного внутреннего отражения, также известного как мгновенная связь поля. Это происходит, когда третья среда (в данном случае заостренный волоконный зонд) с показателем преломления n3 (с n3> п2) подводится к границе раздела на расстоянии <λ. На этом расстоянии третья среда перекрывает исчезающее поле, нарушая полное отражение света в первой среде и обеспечивая распространение волны в третьей среде. Этот процесс аналогичен квантовому туннелированию; фотоны, удерживаемые в первой среде, способны туннелировать через вторую среду (где они не могут существовать) в третью среду. В PSTM туннелированные фотоны проходят через оптоволоконный зонд в детектор, где затем может быть восстановлено подробное изображение затухающего поля. Степень связи между зондом и поверхностью сильно зависит от расстояния, поскольку затухающее поле является экспоненциально убывающей функцией расстояния от границы раздела. Следовательно, степень сцепления используется для измерения расстояния от наконечника до поверхности, чтобы получить топографическую информацию об образце, помещенном на поверхность.[5][7]

Зонд-поле взаимодействие

Интенсивность затухающего поля на расстоянии z от поверхности определяется соотношением

I ~ ехр (-γz)

где γ - постоянная затухания поля и представляется как

γ = 2k2(п122грех2θя − 1)1/2

где n12= (n1/ п2), п1 - показатель преломления первой среды, n2 - показатель преломления второй среды, k - величина вектора падающей волны, а θя Константа затухания используется для определения коэффициента пропускания фотонов от поверхности к наконечнику зонда, однако степень связи также сильно зависит от свойств наконечника зонда, таких как длина области кончика зонда. контакт с затухающим полем, геометрия наконечника зонда и размер апертуры (в зондах с отверстиями). Следовательно, 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 отслеживания сигнала детектора в зависимости от высоты зонда. Таким образом, постоянная 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, которые учитывают геометрию наконечника зонда и расстояние до образца, были опубликованы Goumri-Said et al.[8][9] Во многих случаях затухающее поле в первую очередь модулируется топографией поверхности образца, поэтому обнаруженный оптический сигнал можно интерпретировать как топографию образца. Однако показатель преломления и абсорбционные свойства образца могут вызывать дальнейшие изменения обнаруживаемого исчезающего поля, что делает необходимым отделение оптических данных от топографических данных. Это часто достигается путем соединения PSTM с другими методами, такими как AFM (см. Ниже). Реддик также разработал теоретические модели для объяснения модуляции затухающего поля вторичными эффектами, такими как рассеяние и поглощение на поверхности образца.[10]

Процедура

На рисунке 2 показаны работа и принцип работы PSTM. An мимолетное поле достигается с помощью лазерного луча в геометрии ослабленного полного отражения для ПВО в треугольной призме. Образец помещают на предметное стекло или кварцевое предметное стекло, которое прикрепляют к призме с помощью геля для согласования индекса. Затем образец становится поверхностью, на которой происходит ПВО. Зонд состоит из заостренного конца оптического волокна, прикрепленного к пьезоэлектрический преобразователь для контроля точного движения наконечника зонда во время сканирования. Конец оптического волокна подсоединяется к фотоумножитель, который действует как детектор. Наконечник зонда и пьезоэлектрический преобразователь размещены в картридже сканера, установленном над образцом. Положение этого узла регулируется вручную, чтобы подвести наконечник зонда на расстояние туннелирования затухающего поля.[5][11]

По мере того как фотоны туннелируют из затухающего поля в наконечник зонда, они проходят по оптическому волокну в фотоумножитель, где преобразуются в электрический сигнал. Амплитуда электрического выходного сигнала фотоэлектронного умножителя прямо пропорциональна количеству фотонов, собранных зондом, что позволяет измерять 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 в компьютер, где топография поверхности отображается на основе соответствующих изменений в обнаруженной напряженности исчезающего поля.[7][11]

Электрический выходной сигнал фотоэлектронного умножителя используется в качестве постоянной обратной связи для пьезоэлектрического преобразователя для регулировки высоты наконечника в соответствии с изменениями топографии поверхности. Зонд необходимо сканировать перпендикулярно поверхности образца, чтобы откалибровать прибор и определить постоянную затухания напряженности поля как функцию высоты зонда. Во время этого сканирования устанавливается точка обратной связи, чтобы пьезоэлектрический преобразователь мог поддерживать постоянную интенсивность сигнала во время бокового сканирования.[7]

Наконечники волоконных зондов

Разрешение прибора PSTM сильно зависит от геометрии и диаметра наконечника зонда. Зонды обычно изготавливаются путем химического травления оптического волокна в растворе HF и могут иметь отверстия или без отверстий. С помощью химического травления были изготовлены наконечники волокна с радиусом кривизны всего 20 нм. В наконечниках с отверстиями стороны заостренного волокна покрыты напылением из металла или другого материала. Это помогает ограничить туннелирование фотонов в сторону зонда, чтобы поддерживать более последовательную и точную связь затухающего поля. Из-за жесткости волоконного зонда даже кратковременный контакт с поверхностью приведет к повреждению наконечника зонда.[12]

Наконечники пробников большего размера имеют большую степень связи с исчезающим полем и, следовательно, будут иметь большую 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 туннелирование фотонов в сторону датчика. Более узкий наконечник зонда необходим для разрешения более крутых поверхностей без столкновений, однако эффективность сбора будет снижена.

На рисунке 3 показан этот волоконный зонд с металлическим покрытием. В волоконных зондах с металлическим покрытием диаметр и геометрия апертуры или непокрытой области на конце зонда определяют эффективность сбора. Более широкий угол конуса приводит к большему диаметру апертуры и меньшей длине зонда, в то время как более узкий угол конуса приводит к меньшему диаметру апертуры и более длинным зондам. Были разработаны двойные конические наконечники зонда, в которых длинная узкая область зонда сужается в кончик с более широким углом конуса. Это обеспечивает более широкую апертуру для большей эффективности сбора при сохранении длинного узкого наконечника зонда, способного распознавать резкие поверхности с низким риском столкновения.[13]

Методы сопряженной спектроскопии PSTM

Фотолюминесценция

Было продемонстрировано, что спектры фотолюминесценции могут быть записаны с использованием модифицированного прибора PSTM. Связь спектроскопии ФЛ с PSTM позволяет наблюдать излучение из локальных наноскопических областей образца и дает понимание того, как фотолюминесцентные свойства материала меняются 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 TIR. Сигнал от оптического волокна сначала пропускался через монохроматор, а затем достигал фотоумножителя для регистрации сигнала. Спектры фотолюминесценции регистрировались с локальных участков образца кристалла рубина.[14] Последующая публикация успешно продемонстрировала использование PSTM для записи спектра флуоресценции Cr3+ Ионно имплантированный сапфир криогенно охлаждали в жидком азоте. Этот метод позволяет охарактеризовать индивидуальные особенности поверхности полупроводниковых образцов, фотолюминесцентные свойства которых сильно зависят от температуры и должны изучаться при криогенных температурах.[15]

Инфракрасный

PSTM был модифицирован для записи спектров в инфракрасном диапазоне. Используя как каскадную дугу, так и лазер на свободных электронах CLIO в качестве источников инфракрасного света, спектры поглощения инфракрасного излучения регистрировали для диазохиноновой смолы. Для этого режима работы требуется фторидное стекловолокно и детектор HgCdTe для эффективного сбора и регистрации используемых длин волн инфракрасного излучения. Кроме того, наконечник волокна должен иметь металлическое покрытие и колебаться во время сбора, чтобы в достаточной степени снизить фоновый шум. Сначала необходимо получить изображение поверхности с использованием длины волны, которая не будет поглощаться образцом. Затем источник света проходит через интересующие инфракрасные волны в каждой точке во время сбора. Спектр получен путем анализа различий в изображениях, записанных на разных длинах волн.[14][16]

Атомно-силовая микроскопия

На рисунке 4 показана комбинация PSTM, AFM и обычного микроскопа. 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 данными топографии 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 наконечником зонда, должны фокусироваться через линзу в детектор, а не проходить через оптическое волокно. Инструмент может работать в режиме постоянной высоты или постоянной силы, а разрешение ограничено 10–50 нм из-за свертки наконечника. Поскольку на оптический сигнал, полученный в PSTM, влияют оптические свойства образца, а также топография, сравнение данных PSTM с данными AFM позволяет определить оптическую плотность образца. В одном исследовании с использованием этого метода регистрировали поглощение 514 нм пленки Ленгмюра-Блоджетт из 10,12-пентакозадийной кислоты (PCA).[17]

Фотопроводящие изображения с помощью атомно-силовой / электронной сканирующей туннельной микроскопии

PSTM можно комбинировать как с ESTM, так и с AFM для одновременной записи оптической, проводящей и топологической информации об образце. Этот экспериментальный прибор, 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, заостренного до диаметра наконечника 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 электрически проводящим для записи тока от образца. Сигналы от трех методов обнаружения записываются одновременно и независимо, чтобы отделить топографическую, оптическую и электрическую информацию от сигналов.

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 нм, 533 нм и 441 нм (выбранных из лазера белого света с использованием оптических фильтров), что позволяло формировать изображения с помощью фотопроводящего света на различных длинах волн возбуждения. Фталоцианин меди - полупроводниковое металлоорганическое соединение. Проводимость этого соединения достаточно высока, чтобы электрический ток прошел через пленку и туннелировал в наконечник зонда. Фотопроводящие свойства этого материала приводят к увеличению проводимости при облучении из-за увеличения количества фотогенерируемых носителей заряда. Оптические и топографические изображения образца были получены с использованием описанного выше нового метода визуализации. Изменения фотопроводимости точечных участков пленки наблюдались при различных длинах волн возбуждения.[18]

Рекомендации

  1. ^ Young, J. Z .; Робертс, Ф. (1951). "Микроскоп летающего пятна". Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 167 (4241): 231. Дои:10.1038 / 167231a0. ISSN 0028-0836. PMID 14806436.
  2. ^ Ash, E. A .; Николлс, Г. (1972). "Апертурный сканирующий микроскоп сверхвысокого разрешения". Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 237 (5357): 510–512. Дои:10.1038 / 237510a0. ISSN 0028-0836. PMID 12635200.
  3. ^ Pohl, D. W .; Denk, W .; Ланц, М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображения с разрешением λ / 20». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 44 (7): 651–653. Дои:10.1063/1.94865. ISSN 0003-6951.
  4. ^ Binnig, G .; Rohrer, H .; Гербер, гл .; Вейбель, Э. (1982-07-05). «Исследования поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 49 (1): 57–61. Дои:10.1103 / Physrevlett.49.57. ISSN 0031-9007.
  5. ^ а б c d Reddick, R.C .; Warmack, R.J .; Феррелл, Т. Л. (01.01.1989). «Новая форма сканирующей оптической микроскопии». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 39 (1): 767–770. Дои:10.1103 / Physrevb.39.767. ISSN 0163-1829. PMID 9947227.
  6. ^ Vigoureux, J.M .; Courjon, D .; Жирар, К. (1989-10-01). «Общие принципы сканирующей туннельной оптической микроскопии». Письма об оптике. Оптическое общество. 14 (19): 1039–1041. Дои:10.1364 / ол.14.001039. ISSN 0146-9592. PMID 19753048.
  7. ^ а б c d е Reddick, R.C .; Warmack, R.J .; Chilcott, D.W .; Sharp, S. L .; Феррелл, Т. Л. (1990). «Фотонная сканирующая туннельная микроскопия». Обзор научных инструментов. Издательство AIP. 61 (12): 3669–3677. Дои:10.1063/1.1141534. ISSN 0034-6748.
  8. ^ Goumri-Said, S .; Salomon, L .; Dufour, J.P .; Форнел, Ф. де; Заяц, А. (2005). «Численное моделирование фотонной сканирующей туннельной микроскопии: роль геометрии наконечника зонда в формировании изображения». Оптика Коммуникации. Elsevier BV. 244 (1–6): 245–258. Дои:10.1016 / j.optcom.2004.09.024. ISSN 0030-4018.
  9. ^ Goumri-Said, S .; Salomon, L .; Dufour, J. P .; Де Форнель, Ф. (2004). «Двумерное численное моделирование фотонной сканирующей туннельной микроскопии: модальный метод Фурье и R-матричный алгоритм». Оптическая и квантовая электроника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 36 (9): 787–806. Дои:10.1023 / b: oqel.0000040043.00570.a8. ISSN 0306-8919.
  10. ^ Cites, J .; Сангхадаса, М. Ф. М .; Sung, C.C .; Reddick, R.C .; Warmack, R.J .; Феррелл, Т. Л. (1992). «Анализ изображений фотонного сканирующего туннельного микроскопа». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 71 (1): 7–10. Дои:10.1063/1.350650. ISSN 0021-8979.
  11. ^ а б Sharp, S. L .; Warmack, R.J .; Goudonnet, J.P .; Lee, I .; Феррелл, Т. Л. (1993). «Спектроскопия и построение изображений с помощью фотонного сканирующего туннельного микроскопа». Отчеты о химических исследованиях. Американское химическое общество (ACS). 26 (7): 377–382. Дои:10.1021 / ar00031a004. ISSN 0001-4842.
  12. ^ Такахаши, Сатоши; Фудзимото, Тошиюки; Като, Кенджи; Кодзима, Исао (1997-09-01). «Фотонный сканирующий туннельный микроскоп высокого разрешения». Нанотехнологии. IOP Publishing. 8 (3A): A54 – A57. Дои:10.1088 / 0957-4484 / 8 / 3a / 011. ISSN 0957-4484.
  13. ^ Сайки, Т .; Mononobe, S .; Ohtsu, M .; Saito, N .; Кусано, Дж. (1996-05-06). «Изготовление оптоволоконного зонда с высоким коэффициентом пропускания для фотонного сканирующего туннельного микроскопа». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 68 (19): 2612–2614. Дои:10.1063/1.116198. ISSN 0003-6951.
  14. ^ а б Мойер, П.Дж .; Jahncke, C.L .; Paesler, M.A .; Reddick, R.C .; Вармак, Р.Дж. (1990). «Спектроскопия в затухающем поле с аналитическим фотонным сканирующим туннельным микроскопом». Письма о физике A. Elsevier BV. 145 (6–7): 343–347. Дои:10.1016 / 0375-9601 (90) 90946-л. ISSN 0375-9601.
  15. ^ Jahncke, C.L .; Паеслер, М.А. (1993). "Низкотемпературный фотонный сканирующий туннельный микроскоп". Оптика ближнего поля. 242. Дордрехт: Springer, Нидерланды. С. 115–120. Дои:10.1007/978-94-011-1978-8_14. ISBN 978-94-010-4873-6.
  16. ^ Piednoir, A .; Licoppe, C .; Крузе, Ф. (1996). «Визуализация и локальная инфракрасная спектроскопия с помощью оптического микроскопа ближнего поля». Оптика Коммуникации. Elsevier BV. 129 (5–6): 414–422. Дои:10.1016 / с0030-4018 (96) 00174-5. ISSN 0030-4018.
  17. ^ Моерс, М. Х. П .; Tack, R.G .; ван Хюльст, Н. Ф .; Бёльгер, Б. (1994). «Фотонный сканирующий туннельный микроскоп в сочетании с силовым микроскопом». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 75 (3): 1254–1257. Дои:10.1063/1.356428. ISSN 0021-8979.
  18. ^ Iwata, F .; Someya, D .; Sakaguchi, H .; Igasaki, Y .; Китао, М .; Кубо, Т .; Сасаки, А. (2001). «Фотопроводящее изображение в фотонном сканирующем туннельном микроскопе, способном измерять точечный контакт тока с помощью проводящего волоконного зонда». Журнал микроскопии. Вайли. 202 (1): 188–192. Дои:10.1046 / j.1365-2818.2001.00883.x. ISSN 0022-2720. PMID 11298891.