Принцип дії та елементи будови мікроскопа Certus NSOM

 

Certus NSOM – скануючий зондовий мікроскоп (СЗМ), оснащений спеціалізованими тримачами зондів і необхідним оптичним обладнанням для проведення досліджень з використанням ефекту ближнього поля.

Оптична мікроскопія ближнього поля заснована на використанні властивостей ближнього (еванесцентного) поля, що дозволяє подолати дифракційну межу класичної оптичної мікроскопії. Всі ближньопільні мікроскопи включають кілька базових елементів конструкції:

· зонд;

· система переміщення зонда відносно поверхні зразка по 2-м (XY) або 3-м (XYZ) координатам (система розгортки);

· реєструюча система;

· оптична система.

Основний елемент будь-якого ближньопольного мікроскопа - оптичний зонд. Конструкція такого зонда дозволяє локалізувати електромагнітне поле в області простору з розмірами менше довжини хвилі використовуваного випромінювання. Існує два способи локалізації електромагнітного поля: апертурний і безапертурний:

1. Для освітлення об'єкта та (або) детектування сигналу використовується апертура, розмір якої може бути істотно менше довжини хвилі (d << λ). Як правило, для цієї мети використовуються зонди на основі оптичного волокна покритого металом і апертурою на кінці зонда. При цьому апертура повинна розташовуватися на відстані від поверхні меншому, ніж довжина хвилі (h << λ).

2. Для локалізації випромінювання використовується голка зонда, піднесена до освітленої поверхні на відстань менше довжини хвилі. У такому режимі вістрі розсіює (перетворює в дальнє поле) ближнє поле, локалізоване у поверхні зразка.

Мікроскопія ближнього поля з використанням апертури показана на рисунку 3.1. У загальному випадку зонд для апертурною мікроскопії ближнього поля являє собою загострене оптичне волокно покрите шаром металу і апертурою на вістрі волокна. Розмір апертури і матеріал покриття варіюються залежно від методики і необхідної роздільної здатності. Як правило, діаметр апертури 50-100 нм, і в якості покриття використовується алюміній або срібло.

 

Рисунок 3.1 – Схема отримання ближньопільного оптичного зображення в точці з використанням апертури [11]:

A – область ближнього поля (h << λ);

B – область далекого поля (h ≥ λ);

C – лазерне випромінювання;

D – оптичне волокно;

E – металеве покриття оптичного волокна;

F – апертура (d << λ);

G – зразок

 

Виділяють п’ять методик освітлення та (або) детектування сигналу, які зображені на рисунку 3.2. Темними стрілки позначено напрямок освітлення зразка, а світлими детекторне випромінювання. Для непрозорих зразків часто використовують методику, коли направлене падаюче і відбите (детекторне) випромінювання проходять по одному і тому ж оптичному волокну, але направивши падаюче випромінювання по оптичному волокну зонда, можна детектувати відбите від поверхні зразка випромінювання. За іншою методикою освітлюють зразок використовуючи зовнішнє джерело лазерного випромінювання, для збору відбитого випромінювання використовується зонд (рис. 3.2а). При дослідження прозорих зразків СБОМ детекторним випромінювання є пройдене випромінювання через зразок, для підведення випромінювання до зразка використовується зонд або зовнішнє джерело лазерного випромінювання (рис. 3.2б)

 

а) б)

Рисунок 3.2 – Методики освітлення (детектування) сигналу для непрозорих (а) та прозорих зразків (б) [11]

 

Незалежно від конструкції оптичний зонд дозволяє отримати сигнал виключно в одній точці. Для побудови растрових зображень необхідна система переміщення зонда відносно поверхні по 2-м (XY) або 3-м (XYZ) координатам (система розгортки). В якості системи розгортки використовують сканери, аналогічні сканерам тунельних і атомно-силових мікроскопів. Тобто сканери на пьезотрубках або плоско-паралельні сканери. У Certus NSOM скануюча голівка Certus і XY-скануючий підставу Ratis (рис. 3.3) спеціально розроблені для підведення об'єктивів і джерел лазерного випромінювання до зонду в поверхні об'єкта дослідження, що дозволяє використовувати всі основні методики мікроскопії ближнього поля.

Для реєстрації зміни відстані між зондом і поверхнею зразка (Z) використовують ті ж методи, що і в атомно-силової мікроскопії. Найбільшого поширення набули метод "shear-force" і реєстрація положення зонда з використанням дефлектометра. Метод "shear-force" заснований на реєстрації зміни частоти коливань зонда, викликаних тангенціальної складової сил взаємодії зонд-поверхня. Для визначення зміни частоти коливань використовують резонатори камертонного типу (tuning-fork) (рис. 3.4), коливання з яких детектируют за допомогою прямого п'єзоелектричного ефекту кристалів кварцу.

 

а) б)

Рисунок 3.3 – Плоскопараллельной скануючий столик Ratis XY (а) та XYZ (б) [12]

 

Рисунок 3.4 – Схема кварцового камертонного резонатора (tuning-fork), використовуваного для підтримки зворотного зв'язку [11]:

A – зонд;

B – оптичне волокно;

C – електроди;

D – кристал кварцу (п'єзоелектрик);

E – п’езовібратор

 

Електроди кварцового камертонного резонатора використовуються для вимірювання зміни напруги, яка виникає на сторонах кристала кварцу (прямий п'єзоелектричний ефект) в результаті зміни частоти коливань при взаємодії з поверхнею. Інформація про зміни напруги дозволяє визначити поточну частоту коливань резонатора. П’езовібратор використовується для створення вимушених коливань резонатора (установка початкової частоти коливань резонатора).

На рисунку 3.5 розглянуті основні конструкційні блоки та загальна модель Certus NSOM, а також модель тримача зондів.

 

а)

б) в)

Рисунок 3.5 – Модель Certus NSOM [11]Конструкція Certus NSOM (а), його модель (б) та модель тримача зондів (в) [11]:

A – кварцовий камертонний резонатор з зондом;

B – тримач зондів;

C – оптичне волокно;

D – СЗМ голівка Certus

 

Для збудження і детектування оптичного сигналу використовується оптичний блок, що включає в себе джерело лазерного випромінювання, поляризатори і детектори сигналу (лавинні фотодіоди, ФЕУ або ПЗС матриці). Конфігурація оптичного блоку підбирається під задачу і бюджет дослідних лабораторій.