Kính hiển vi quang học quét trường gần

Kính hiển vi quang học quét trường gần (near-field scanning optical microscope, viết tắt là NSOM hoặc SNOM) là một kỹ thuật soi kính hiển vi cho phép nghiên cứu các cấu trúc nano với độ phân giải vượt qua giới hạn phân giải (giới hạn nhiễu xạ; diffraction-limited system) bằng cách ứng dụng các tính chất của sóng suy biến (evanescent wave). Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách đặt đầu dò rất gần với mẫu (khoảng cách giữa đầu dò và mẫu nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng λ). Nó cho phép quan sát bề mặt mẫu với các độ phân giải hình ảnh cao (độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian và độ phân giải bức xạ). Với kỹ thuật này, độ phân giải của hình ảnh bị giới hạn bởi kích thước của lỗ dò chứ không phụ thuộc vào bước sóng của tia sáng đầu dò. Đặc biệt có thể đạt được độ phân giải ngang 20nm và độ phân giải đứng từ 2-5 nm.

Nguyên lý hoạt động

Về bản chất, dù được gọi là kính hiển vi quang học nhưng thực tế, NSOM có quan hệ gần hơn với các loại kính hiển vi quét đầu dò (SPM - scanning probe microscope). Có hai dạng chính ở thời điểm hiện tại: mũi dò sợi quang học và mũi dò kim loại [Y. Oshikane et al. (2007). "Observation of nanostructure by scanning near-field optical microscope with small sphere probe" (free pdf). Sci. Technol. Adv. Mater. 8 (3): 181. doi:10.1016/j.stam.2007.02.013.].
Ở dạng thứ nhất, mũi dò được sử dụng là một sợi cáp quang học được chế tạo với lõi bạc hoặc nhôm để tập trung ánh sáng qua lỗ khẩu độ có kích thước khoảng 25 đến 100 nm (nhỏ hơn bước sóng bức xạ). Mũi dò này được quét rất gần với bề mặt mẫu vật ở khoảng cách d (d nhỏ hơn bước sóng bức xạ). Để tạo ra bước quét tinh tế nhằm tăng độ phân giải của hình ảnh, mũi dò được gắn vào một bộ quét áp điện, quét bằng tín hiệu điện trực tiếp thu được từ máy đo lực hay detector. Sự quét này dấn đến hai khả năng: ánh sáng truyền qua và sóng phù du được ghi lại bởi một vật kính có khẩu độ lớn và một detector trường xa; lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu được đo bởi một máy đo lực gắn với mũi dò. Đôi lúc, ánh sáng được chiếu từ môi trường ngoài để phản chiếu vào mũi dò, hoặc sử dụng những phương pháp khác để ghi lại ánh sáng thứ cấp và sóng phù du. Ở dạng thứ hai, mũi dò bằng kim loại có khả năng thu nhỏ khẩu độ tới dưới 50 nm đồng thời giảm khoảng cách d từ mũi dò tới mẫu vật.[G. Kaupp (2006). Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Nanoscratching: Application to Rough and Natural Surfaces. Heidelberg: Springer. ISBN 3-540-28405-2.]. Ánh sáng ghi lại sẽ cho hình ảnh 3 chiều của bề mặt mẫu vật với độ phân giải cao.
Nguyên lý cơ bản của NSOM là lợi dụng sóng suy biến để tái tạo hình ảnh. Sóng suy biến (evanescent waves)là một sóng trường gần được tạo ra do sự kích thích của ánh sáng lên bề mặt giữa một mặt kim loại liền với một mặt lưỡng cực điện (thường là không khí hoặc kính), khi ánh sáng chiếu tới có góc nhỏ hơn hoặc bằng 41.8 độ (góc tiêu cực) bởi nguyên lý phản xạ toàn phần (total internal reflection). Sóng suy biến cũng được tạo ra khi chiếu ánh sáng vào một vật (nguyên tử, phân tử hoặc cấu trúc) hoặc một khẩu độ có kích thước/đường kính nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Theo vật lý cổ điển, điều này là không thể vì cho rằng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ nói chung không thể đi qua một khẩu độ nhỏ hơn bước sóng của bức xạ. Tuy nhiên,vật lý lượng tử cho thấy điều này hoàn toàn có thể nếu bề mặt kim loại có tần số dao động của điện tử trùng với tần số của bức xạ chiếu tới nó. Những điện tử sẽ lấy năng lượng của những photon ánh sáng này và "mang" chúng sang mặt bên kia, phát thành photon mới có cùng bước sóng và tần số với photon ban đầu. Đây là nguyên lý cơ bản của các kính hiển vi quang học quét trường gần nhằm tạo ra chùm sáng có kích thước nhỏ hơn giới hạn nhiễu xạ cho phép hội tụ kích thước chùm sáng (xuống tới 10 nm hoặc nhỏ hơn so với giới hạn nhiễu xạ đưa ra bởi Ernst Abbe, tức vào khoảng 200 nm). Do đó, độ phân giải của thiết bị được tăng lên đáng kể.
Toàn bộ hệ thống thu-nhận của kính hiển vi quang học quét trường gần được đặt rất gần với mẫu vật, do sóng suy biến sẽ suy giảm them cấp lũy thừa so với khoảng cách (sóng suy biến chỉ tồn tại được tối đa tới 200 nm khỏi bề mặt của mẫu vật, nhưng cường độ tối đa của nó, đủ để các thiết bị đo có thể thu được, chỉ tồn tại ở khoảng cách 10 - 15 nm khỏi mẫu vật). Do đó, mũi dò dùng để chiếu sáng và thu tín hiệu được đặt ở khoảng cách rất gần với mẫu vật nhằm tận dụng tối đa sóng suy biến để tạo ảnh. Đôi lúc, mũi dò chỉ dùng để chiếu sáng mẫu vật, còn việc thu ảnh được thực hiện bằng cánh dùng thấu kính thủy tinh (vật kính) có chỉ số khẩu độ lớn và có thể dùng dầu để ghi ảnh.