Skaneeriv optiline lähiväljamikroskoop

Skaneeriv optiline lähiväljamikroskoop (inglise keeles near-field scanning optical microscope, NSOM/SNOM) on mikroskoop, mida kasutatakse nanoskaalas objektide uurimiseks. Lähiväljamikroskoop ületab kaugvälja eraldusvõimepiirangu kasutades evanestsentslainete omadusi. Viies detektori väga lähedale uuritavale pinnale (kaugusele, mis on oluliselt väiksem kui lainepikkus), on võimalik pinda vaadelda kõrge ruumilise, spektraalse ja ajalise lahutusega. Selle meetodiga on kujutise lahutus piiratud detektori ava mõõtmetega, mitte pealelangeva valguse lainepikkusega. Eksperimentaalselt on näidatud 20-nanomeetrilise külgsuunalise ja kahe- kuni viienanomeetrilise vertikaalse lahutuse võimalikkust. Nagu klassikalises valgusmikroskoopiaski, saab sellega uurida katseobjekti omadusi, näiteks murdumisnäitajat ja keemilist struktuuri. Samuti on võimalik uurida ajas muutuvaid omadusi lainepikkusest väiksemal skaalal. 1928. aastal esitas Iiri füüsik Edward Hutchinson Synge idee pildistamisaparatuurist, mis töötaks ergastades ainet ja kogudes kiirgust lähiväljas. Tema algne idee põhines intensiivse peaaegu tasalainelise valguse kasutamisel, mis pidi lähtuma väikese 100-nanomeetrilise avaga õhukese läbipaistmatu metallkile tagant. Ava kaugus uuritavast pinnast pidi jääma 100 nanomeetri piiridesse ning informatsiooni kogumine toimuma punkt punkti järel pinda skaneerides. Tema arvates olid ava ja seeläbi uuritava pinna valgustamine ning detektori liigutamine kõige suuremad tehnilised raskused. Ameeriklane John O'Keefe arendas sarnaseid ideid 1956. aastal. Ta arvas, et ava või detektori liigutamine nii lähedal katseobjektile on probleem, mis kõige tõenäolisemalt takistab taolise aparatuuri realiseerimist. 1972. aastal ületati Ernst Karl Abbe difraktsioonilimiit esimest korda ajaloos. Seda tegid Ash ja Nicholls kasutades kiirgust lainepikkusega 3 cm ning saavutasid ruumilise lahutuse kuuekümnendik lainepikkusest. Kümne aasta pärast esitas sakslane Dieter Wolfgang Pohl patendiavalduse optilisele lähiväljamikroskoobile. Sellele järgnes 1984. aastal avaldatud artikkel, milles kirjeldati esmakordselt nähtava kiirgusega töötavat lähiväljamikroskoopi. See lähiväljamikroskoop koosnes lainepikkusest väiksemate mõõtmetega avast metalliga kaetud teraviku tipus ja tagasisidemehhanismist, et säilitada konstantset mõnenanomeetrilist kaugust mõõtepea ja katseobjekti vahel. Eksperimendis suudeti tuvastada detaile mõõtmetega alla 50 nm (umbes kümnendik kasutatud lainepikkusest). Abbe kujutiseformatsiooniteooria järgi (välja töötatud aastal 1873) on optilise seadme eraldusvõime määratud eseme punktidest lähtuva valguse laialihajumisega difraktsiooni tõttu. Kui seadme ava ei ole piisavalt suur, et püüda kogu laialihajuv valgus, siis kujutise peenemad detailid ei vasta täpselt eseme omadele. Parim optilise seadme lahutus ( d {\displaystyle d} ) on seega piiratud selle ava mõõtmetega. Seost lahutuse ja ava vahel väljendab Rayleigh' kriteerium: d = 0 , 61 λ N A {\displaystyle d=0,61{\lambda \over NA}} , kus λ {\displaystyle \lambda } on kasutatud lainepikkus vaakumis, N A {\displaystyle NA} on avaarv (maksimaalselt 1,3–1,4 tänapäevastel tugeva suurendusega objektiividel). Seega on klassikaliste optiliste mikroskoopide parim resolutsioon tavaliselt umbes λ 2 {\displaystyle {\lambda \over 2}} . See lähenemine arvestab vaid kaugvälja, mis levib ilma ruumiliste piiranguteta. Lähiväljamikroskoop kasutab ära evanestsentsvälju, mis eksisteerivad ainult objekti pinna lähedal. Need väljad kannavad kõrge ruumilise lahutusega informatsiooni objekti pinnast ja kahanevad eksponentsiaalselt kauguse suurenemisel objektist. Detektor peab olema lähiväljatsoonis: väga lähedal katseobjektile, tüüpiliselt mõne nanomeetri kaugusel. Seetõttu on lähiväljamikroskoop peamiselt pinnauurimisvahend. Detektorit liigutatakse punkt punkti järel üle katseobjekti. Skaneerimist võib läbi viia konstantsel kõrgusel või muutuval kõrgusel kasutades tagasisidet. Lähiväljamikroskoope võib jagada niinimetatud avaga (inglise keeles aperture mode) ja avata (inglise keeles apertureless mode) mikroskoopideks. Detektori teravikud, mida kasutatakse avata mikroskoobis, on väga peene otsaga ja ilma metallkatteta. Kuigi avaga mikroskoopidel on palju puudusi (näiteks kuumenemine, tundlikkus ja interferents), on seda tüüpi mikroskoobid siiski kasutatumad. Põhiliselt seetõttu, et avata mikroskoopi on keerukam üles seada ja sellega töötada. Samuti ei mõisteta selle toimimise aluseks olevaid füüsikalisi nähtusi nii hästi. Teised lähiväljamikroskoobi tüübid rakendavad "aktiivset otsikut", kus valgusallikaks on teravik ise. See saavutatakse fluorestsentsvärviga või kvantpunktvalgusdioodiga, mis võimaldab fluorestsentsergastust ja on lisatud teravikule. Tagasisidemehhanisme kasutatakse tavaliselt selleks, et saada kõrge lahutusega ja müravaba pilt. Selleks peab detektor olema mõne nanomeetri kaugusel uuritavast pinnast. Mõned kasutatavad mehhanismid on: Konstantse jõu tagasiside. See meetod on väga sarnane aatomijõumikroskoobis (atomic force microscope, AFM) kasutatava tagasisidemehhanismiga. Eksperimente võib teha kontakt-, vahelduv ja mittekontaktrežiimis. Tangentsiaaljõutagasiside. Selle meetodiga on kinnitatud teraviku kõrvale häälestusvarras ja pandud võnkuma oma resonantssagedusel. Võnkumise amplituud on otseselt seotud vahemaaga teravikust pinnani. Seega saab seda kasutada tagasisidena. Optilise lähiväljamikroskoobi tähtsamad komponendid on valgusallikas, tagasisidemehhanism, skaneeriv teravik, detektor ja piesoelektriline alus katseobjektile. Valgusallikana kasutatakse tavaliselt optilisele fiibrile fokuseeritud laserit, mille kiir läbib polarisaatorit ja kiirejagajat. Polarisaator ja kiirejagaja on vajalikud, et eemaldada parasiitkiirgus. Olenevalt töörežiimist on skaneerivaks teravikuks metallikihiga kaetud koonilise otsaga optiline fiiber või lihtsalt standardne aatomijõumikroskoobi konsool auguga püramidaalse teraviku tipus. Detektorina saab kasutada standardseid optikaseadmeid nagu laviinfotodiood, fotoelektronkordisti või CCD-kaamera. Spetsiifilistes lähiväljamikroskoopia seadmetes nagu Ramani lähiväljamikroskoop on palju rangemad nõuded detektorile. Ramani ja fluorestsentslähiväljamikroskoopia on kaks enamkasutatavat lähiväljamikroskoopia meetodit. Mõned levinumad lähiväljaspektroskoopia meetodid on: Otsene kohalik Ramani lähiväljamikroskoopia (direct local Raman NSOM). Avaga Ramani lähiväljamikroskoopia kasutust piiravad kuumad ja tömbi otsaga teravikud ning pikad valgusekogumisajad. Suured pinnakonarused teevad selle meetodi kasutamise keerukaks. SERS-lähiväljamikroskoopia (surface enhanced Raman scattering NSOM). Seda meetodit saab kasutada avata lähiväljamikroskoopiaseadmetega või kasutades kullatud aatomijõumikroskoobi teravikku. Ramani signaalid on oluliselt võimendunud aatomijõumikroskoobi teraviku all. Ramani signaali tuvastamiseks peab kasutama suure tundlikkusega optoakustilist spektromeetrit. Fluorestsentslähiväljamikroskoopia. See levinud ja tundlik metoodika kasutab fluorestsentsi ja on eriti sobiv rakendamiseks bioloogias. See meetod kasutab merotsüaniinil põhinevaid värve. Kasutatakse filtreid, eemaldamaks kogu ergastav laserkiirgus. Selle meetodiga võib saavutada lahutuse kuni 10 nm. U. Dürig et al (1986). "Near-field optical scanning microscopy". J. Appl. Phys. 59: 3318. Y. Oshikane et al (2007). "Observation of nanostructure by scanning near-field optical microscope with small sphere probe"[alaline kõdulink]. Sci. Technol. Adv. Mater. 8 (3): 181. E.H. Synge (1928). "A suggested method for extending the microscopic resolution into the ultramicroscopic region". Phil. Mag. 6: 356 E.H. Synge (1932). "An application of piezoelectricity to microscopy". Phil. Mag. 13: 297. J.A. O'Keefe (1956). J.Opt.Soc.Am. 46: 359. "Brief History and Simple Description of NSOM/SNOM Technology". Nanonics Inc.. 12 Oct 2007. E.A. Ash and G. Nicholls (1972). "Super-resolution Aperture Scanning Microscope". Nature 237 (5357): 510. EP patent 0112401[alaline kõdulink], Pohl, Dieter Wolfgang, Dr., "optical near field scanning microscope", published 1987-04-22, issued 1982-12-27 D.W. Pohl, W. Denk, and M. Lanz (1984). "Optical stethoscopy: Image recording with resolution λ/20". Appl. Phys. Lett. 44 (7): 651. E. Hecht (2002). Optics. San Francisco: Addison Wesley. ISBN 0-19-510818-3. "Near-Field Scanning Optical Microscopy". Olympus America Inc. 12 Oct 2007. Michaelis, J; C.Hettich,J.Mlynek and V.Sandoghdar (2000). Nature 405 (325). K.Hoshino; A. Gopal, M. Glaz, D.Vanden Bout, X.J. Zhang (2012). "Nanoscale fluorescence imaging with quantum dot near-field electroluminescence"[alaline kõdulink]. Applied Physics Letters 101 (4). 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.