Microscopía óptica de barrido de campo cercano

La microscopía óptica de barrido de campo cercano(NSOM/SNOM) es una técnica demicroscopíapara la investigación de nanoestructuras que rompe ellímite de resolución decampo lejano al explotar las propiedades de lasondas evanescentes. En SNOM, la luz delláser deexcitaciónse enfoca a través de una abertura con un diámetro más pequeño que la longitud de onda de excitación, lo que resulta en un campo evanescente (o campo cercano) en el lado más alejado de la abertura.​  Cuando la muestra se escanea a una pequeña distancia por debajo de la abertura, la resolución óptica de la luz transmitida o reflejada está limitada solo por el diámetro de la abertura. En particular, la resolución lateral de 20 nm y resolución vertical de 2–5 nm se han demostrado.​​
Al igual que en la microscopía óptica, el mecanismo de contraste se puede adaptar fácilmente para estudiar diferentes propiedades, comoel índice de refracción, la estructura química y el estrés local. Las propiedades dinámicas también pueden estudiarse en una escala de sub-longitud de onda utilizando esta técnica.
NSOM/SNOM es una forma demicroscopía de sonda de barrido.
A Edward Hutchinson Synge se le da crédito por concebir y desarrollar la idea de un instrumento de imagen que pueda captar imágenes mediante la excitación y la recopilación dedifracciónen elcampo cercano. Su idea original, propuesta en 1928, se basaba en el uso de una luz intensa casi plana de un arco bajo presión detrás de una película metálica opaca y delgada con un pequeño orificio de aproximadamente 100 nm.  El orificio debía permanecer dentro de los 100 nm de la superficie, y la información se recopilaría mediante escaneo punto por punto.  Él previó que la iluminación y el movimiento del detector fueran las mayores dificultades técnicas.​​John A. O'Keefetambién desarrolló teorías similares en 1956. Pensó que el movimiento del agujero de alfiler o del detector cuando está tan cerca de la muestra sería el problema más probable que podría impedir la realización de dicho instrumento.​​  Fueron Ash y Nicholls quienes, en 1972, rompieron ellímite de difraccióndelAbbeutilizando radiación con una longitud de onda de 3 cm. Una retícula de líneas se resolvió con una resolución de λ0/60.​ Una década más tarde, una patente sobre un microscopioópticode campo cercano fue presentada por Pohl, seguida en 1984 por el primer documento que usaba radiación visible para la exploración de campo cercano.​ Elmicroscopio ópticode campo cercano (NFO, por sus siglas en inglés) involucró una apertura de longitud de onda de onda en el vértice de una punta transparente con punta aguda recubierta de metal y un mecanismo de retroalimentación para mantener una distancia constante de unos pocos nanómetros entre la muestra y la sonda. Lewis et al. también eran conscientes del potencial de un microscopio NFO en este momento.​  Ellos reportaron los primeros resultados en 1986 confirmando la súper resolución.​​ En ambos experimentos, detalles por debajo de 50 nm (aproximadamente λ0/10)de tamaño podrían ser reconocidos.
De acuerdo con la teoría de la formación de imágenes de Abbe, desarrollada en 1873, la capacidad de resolución de un componente óptico está limitada en última instancia por la expansión de cada punto de imagen debido a la difracción. A menos que la apertura del componente óptico sea lo suficientemente grande para recoger toda la luz difractada, los aspectos más finos de la imagen no se corresponderán exactamente con el objeto. La resolución mínima (d) para el componente óptico está, por lo tanto, limitada por su tamaño de apertura y expresada por elcriterio de Rayleigh:
Aquí, λ0es la longitud de onda en el vacío; NA es laapertura numéricapara el componente óptico (máximo 1.3–1.4 para objetivos modernos con un factor de aumento muy alto). Por lo tanto, el límite de resolución es generalmente alrededor de λ0/2para la microscopía óptica convencional.​
Este tratamiento solo asume la luz difractada en el campo lejano que se propaga sin ninguna restricción. NSOM utiliza campos evanescentes o no propagadores que existen solo cerca de la superficie del objeto. Estos campos llevan la información espacial de alta frecuencia sobre el objeto y tienen intensidades que descienden exponencialmente con la distancia del objeto. Debido a esto, el detector debe colocarse muy cerca de la muestra en la zona de campo cercano, generalmente unos pocos nanómetros. Como resultado, la microscopía de campo cercano sigue siendo principalmente una técnica de inspección de superficie.  Luego, el detector serastrea através de la muestra utilizando una etapapiezoeléctrica. El escaneo puede realizarse a una altura constante o con una altura regulada mediante un mecanismo de retroalimentación.​
Existe NSOM que puede operarse en el llamado modo de apertura y NSOM para operar en un modo sin apertura.  Como se ilustra, las puntas utilizadas en el modo sin aperturas son muy afiladas y no tienen un revestimiento metálico.
Si bien hay muchos problemas relacionados con las puntas con aberturas (calentamiento, artefactos, contraste, sensibilidad, topología e interferencias entre otros), el modo de apertura sigue siendo más popular. Esto se debe principalmente a que el modo sin aperturas es aún más complejo de configurar y operar, y tampoco se comprende.  Hay cinco modos principales de operación NSOM con aberturas y cuatro modos principales de operación NSOM sin apertura. Los principales están ilustrados en la siguiente figura.
Algunos tipos de operación NSOM utilizan unasonda Campanile, que tiene una forma de pirámide cuadrada con dos facetas recubiertas con un metal. Tal sonda tiene una alta eficiencia de recolección de señal (> 90%) y no tiene corte de frecuencia.​ Otra alternativa son los esquemas de "punta activa", donde la punta está funcionalizada con fuentes de luz activas como un tinte fluorescente​ o incluso un diodo emisor de luz que permite la excitación por fluorescencia.​
Los mecanismos de retroalimentación se usan generalmente para lograr imágenes de alta resolución y sin artefactos, ya que la punta debe colocarse dentro de unos pocos nanómetros de las superficies.  Algunos de estos mecanismos son:
Es posible aprovechar las diversas técnicas de contraste disponibles para la microscopía óptica a través de NSOM pero con una resolución mucho mayor. Al utilizar el cambio en lapolarizaciónde la luz o la intensidad de la luz en función de la longitud de onda incidente, es posible utilizar técnicas de mejora del contraste tales comotinción,fluorescencia,contraste de faseycontraste de interferencia diferencial. También es posible proporcionar contraste utilizando el cambio en el índice de refracción, la reflectividad, el estrés local y las propiedades magnéticas, entre otros.​​
Los componentes principales de una configuración NSOM son la fuente de luz, el mecanismo de retroalimentación, la punta de exploración, el detector y la etapa de muestra piezoeléctrica. La fuente de luz suele ser un láser enfocado en una fibra óptica a través de unpolarizador, un divisor de haz y un acoplador. El polarizador y el divisor de haz servirían para eliminarla luz dispersade la luz reflejada que regresa. La punta de escaneo, dependiendo del modo de operación, generalmente es una fibra óptica estirada o estirada cubierta con metal, excepto en la punta o simplemente en un voladizo AFM estándar con un orificio en el centro de la punta piramidal.  Se pueden usar detectores ópticos estándar, comofotodiodo de avalancha, tubofotomultiplicador(PMT) oCCD. Las técnicas NSOM altamente especializadas,RamanNSOM, por ejemplo, tienen requisitos de detectores mucho más estrictos.​
Como su nombre lo indica, la información se recopila por medios espectroscópicos en lugar de imágenes en el régimen de campo cercano. A través de la espectroscopia de campo cercano (NFS), uno puede sondear espectroscópicamente con resolución de sub-longitud de onda.  Raman SNOM y la fluorescencia SNOM son dos de las técnicas NFS más populares, ya que permiten la identificación de características de tamaño nanométrico con contraste químico. Algunas de las técnicas espectroscópicas de campo cercano comunes son:
NSOM podría ser vulnerable a artefactos que no son del modo de contraste deseado. La raíz más común para los artefactos en NSOM es la rotura de la punta durante el escaneo, el contraste rayado, el contraste óptico desplazado, la concentración local de luz de campo lejano y los artefactos topográficos.
En el NSOM sin aberturas, también conocido como SNOM de tipo dispersión o s-SNOM, muchos de estos artefactos se eliminan o pueden evitarse mediante la aplicación de la técnica adecuada.​