Certus NSOM - сканирующий оптический микроскоп ближнего поля.
Certus NSOM - сканирующий оптический микроскоп ближнего поля
Certus NSOM – сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ), оснащенный специализированными держателями зондов и необходимым оптическим оборудованием для проведения исследований с использованием эффекта ближнего поля.
Оптическая микроскопия ближнего поля основана на использовании свойств ближнего (эванесцентного) поля, что позволяет преодолеть дифракционный предел классической оптической микроскопии.
Все ближнепольные микроскопы включают несколько базовых элементов конструкции:
- зонд;
- система перемещения зонда относительно поверхности образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам (система развертки);
- регистрирующая система;
- оптическая система.
Основной элемент любого ближнепольного микроскопа – оптический зонд. Конструкция такого зонда позволяет локализовать электромагнитное поле в области пространства с размерами меньше длины волны используемого излучения.
Существует два способа локализации электромагнитного поля: апертурный и безапертурный.
1) Для освещения объекта и/или детектирования сигнала используется апертура, размер которой может быть существенно меньше длины волны (d << λ). Как правило, для этой цели используются зонды на основе оптического волокна покрытого металлом и апертурой на конце зонда. При этом апертура должна располагаться на расстоянии от поверхности меньшем, чем длина волны (h << λ).
2) Для локализации излучения используется иголка зонда, поднесенная к освещенной поверхности на расстояние меньше длины волны. В таком режиме острие рассеивает (превращает в дальнее) ближнее поле, локализованное у поверхности образца.
Микроскопия ближнего поля с использованием апертуры.
В общем случае зонд для апертурной микроскопии ближнего поля представляет собой заостренное оптическое волокно покрытое слоем металла и апертурой на острие волокна. Размер апертуры и материал покрытия варьируются в зависимости от методики и требуемого разрешения. Как правило, диаметр апертуры 50-100 нм, и в качестве покрытия используется алюминий или серебро.
|
|
A - область ближнего поля (h << λ) |
| B - область дальнего поля (h ≥ λ) | |
| C - лазерное излучение | |
| D - оптическое волокно | |
| E - металлическое покрытие оптического волокна | |
| F - апертура (d << λ) | |
| G - образец |
Есть несколько методик освещения и/или детектирования сигнала.
|
|
A - падающее и отраженное излучение идут по одному и тому же оптическому волокну. |
| B - падающее излучение идет по оптическому волокну зонда, детектируется отраженное от поверхности образца излучение. |
|
| C - для освещения образца используется внешний источник лазерного излучения, для сбора отраженного излучения используется зонд. |
|
| D - для подвода излучения к образцу используется зонд, детектируется прошедшее через образец излучение. Методика применима только к прозрачным образцам. |
|
| E - для подвода излучения к образцу используется внешний источник лазерного излучения, детектируется излучение прошедшее через образец. Методика применима только к прозрачным образцам. |
Система развертки.
Независимо от конструкции оптический зонд позволяет получить сигнал исключительно в одной точке. Для построения растровых изображений необходима система перемещения зонда относительно поверхности по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам (система развертки).
В качестве системы развертки используют сканеры, аналогичные сканерам туннельных и атомно-силовых микроскопов. Т.е. сканеры на пьезотрубках или плоско-параллельные сканеры.
В Certus NSOM сканирующая головка Certus и XY-сканирующее основание Ratis специально разработаны для подвода объективов и источников лазерного излучения к зонду у поверхности объекта исследования, что позволяет использовать все основные методики микроскопии ближнего поля.
Регистрирующая система.
Для регистрации изменения расстояния между зондом и поверхностью образца (Z) используют те же методы, что и в атомно-силовой микроскопии. Наибольшее распространение получили метод “shear-force” и регистрация положения зонда с использованием дефлектометра.
Метод “shear-force” основан на регистрации изменения частоты колебаний зонда, вызванных тангенциальной составляющей сил взаимодействия зонд-поверхность. Для определения изменения частоты колебаний используют резонаторы камертонного типа (tuning-fork), колебания с которых детектируют с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта кристаллов кварца.
|
|
A - зонд. |
| B - оптическое волокно. |
|
| C - электроды, которые используются для измерения изменения напряжения возникающего на сторонах кристалла кварца (прямой пьезоэлектрический эффект) в результате изменения частоты колебаний при взаимодействии с поверхностью. Информация о изменении напряжения позволяет определить текущую частоту колебаний резонатора. |
|
| D - кристалл кварца (пьезоэлектрик). |
|
| E - пьезовибратор. Используется для создания вынужденных колебаний резонатора (установка начальной частоты колебаний резонатора). |
|
|
A - кварцевый камертонный резонатор (tuning-fork) с зондом. |
|
B - держатель зондов.
|
|
| C - оптическое волокно. | |
| D - СЗМ головка Certus |
Оптический блок.
Для возбуждения и детектирования оптического сигнала используется оптический блок, включающий в себя источник лазерного излучения, поляризаторы и детекторы сигнала (лавинные фотодиоды, ФЭУ или ПЗС матрицы). Конфигурация оптического блока подбирается под задачу и бюджет исследовательских лабораторий.
На настоящий момент разработаны три модификации микроскопа Certus NSOM:
|
|
||
|
|
||
|
|
||
|
Тестовая ванадиевая решетка. Совместные ближнепольное оптическое и АСМ изображения. Размер изображений 8х8 μм, 256х256 точек. Комплекс Certus NSOM O. |
Модификация Certus NSOM S на базе сканирующего зондового микроскопа Certus Standard.
В состав Certus NSOM S входят:
- сканирующая головка Certus с держателем зондов для атомно-силовой микроскопии;
- специализированный держатель зондов для микроскопии ближнего поля;
- видеомикроскоп;
- оптический блок;
- интегрированный подвижный столик для образца;
- единый СЗМ контроллер EG-3000;
- программное обеспечение NSpec.
Микроскоп Certus NSOM S позволяет использовать методики ближнепольной оптической микроскопии основанные на отражении света от поверхности или зондов. Сканирование по XYZ проводится только зондом.
Модификация Certus NSOM O на базе комплекса Certus Optic.
В состав Certus NSOM O входят:
- сканирующая головка Certus с держателем зондов для атомно-силовой микроскопии;
- специализированный держатель зондов для микроскопии ближнего поля;
- устройство позиционирования и сканирования Ratis;
- классический оптический микроскоп (прямой или инвертированный);
- Z – подвижка для объектива;
- оптический блок;
- устройство позиционирования образца;
- единый СЗМ контроллер EG-3000;
- программное обеспечения NSpec.
Комплекс Certus NSOM O позволяет использовать методики ближнепольной оптической микроскопии основанные как на отражении света от поверхности, так и на прохождении излучения через образец. Реализованы два режима сканирования. Сканирование зондом по XYZ сканирующей головкой Certus и сканирование образцом по XY сканирующим основанием Ratis и детектированием сигнала по Z с использованием СЗМ головки.
Кроме того, данный комплекс работает в режиме лазерного конфокального микроскопа при сканировании по XY образцом.
Модификация Certus NSOM для комплексов Centaur (HR).
Так же, на базе СЗМ головки Certus NSOM для комплексов Centaur (HR) в качестве дополнительной опции реализованы методики ближнепольной оптической микроскопии с использованием апертуры. Безапертурные методики реализованы в этих комплексах по умолчанию.
|
|
|
|
Тестовая ванадиевая решетка. Совместные ближнепольное оптическое и АСМ изображения. Размер изображений 50х15 μм, 256х77 точек. Комплекс Certus NSOM O. |
|
