Microscopio óptico de barrido de campo cercano - Near-field scanning optical microscope

Diagrama que ilustra la óptica de campo cercano , con la difracción de la luz proveniente de la sonda de fibra NSOM, que muestra la longitud de onda de la luz y el campo cercano.
Comparación de mapas de fotoluminiscencia registrados a partir de una escama de disulfuro de molibdeno utilizando NSOM con una sonda de campanario (arriba) y microscopía confocal convencional (abajo). Barras de escala: 1 μm.

La microscopía óptica de barrido de campo cercano ( NSOM ) o microscopía óptica de campo cercano de barrido ( SNOM ) es una técnica de microscopía para la investigación de nanoestructuras que rompe el límite de resolución de campo lejano al explotar las propiedades de las ondas evanescentes . En SNOM, la luz del láser de excitación se enfoca a través de una apertura con un diámetro menor que la longitud de onda de excitación, lo que da como resultado un campo evanescente (o campo cercano) en el lado más alejado de la apertura. Cuando la muestra se escanea a una pequeña distancia por debajo de la apertura, la resolución óptica de la luz transmitida o reflejada está limitada solo por el diámetro de la apertura. En particular, se ha demostrado una resolución lateral de 20 nm y una resolución vertical de 2 a 5 nm.

Al igual que en la microscopía óptica, el mecanismo de contraste se puede adaptar fácilmente para estudiar diferentes propiedades, como el índice de refracción , la estructura química y el estrés local. Las propiedades dinámicas también se pueden estudiar a una escala de sub-longitud de onda utilizando esta técnica.

NSOM / SNOM es una forma de microscopía de sonda de barrido .

Historia

A Edward Hutchinson Synge se le atribuye el mérito de concebir y desarrollar la idea de un instrumento de imágenes que generaría imágenes mediante la excitación y la recolección de difracción en el campo cercano . Su idea original, propuesta en 1928, se basó en el uso de luz intensa casi plana de un arco bajo presión detrás de una película metálica delgada y opaca con un pequeño orificio de unos 100 nm. El orificio debía permanecer dentro de los 100 nm de la superficie y la información debía recopilarse mediante escaneo punto por punto. Previó que la iluminación y el movimiento del detector serían las mayores dificultades técnicas. John A. O'Keefe también desarrolló teorías similares en 1956. Pensó que el movimiento del orificio o el detector cuando está tan cerca de la muestra sería el problema más probable que podría impedir la realización de tal instrumento. Fue Ash y Nicholls en el University College de Londres que, en 1972, se rompió por primera vez el abate ‘s límite de difracción utilizando radiación de microondas con una longitud de onda de 3 cm. Una retícula de líneas se resolvió con una resolución de λ 0 /60. Una década más tarde, Dieter Pohl presentó una patente sobre un microscopio óptico de campo cercano , seguida en 1984 por el primer artículo que utilizó radiación visible para el escaneo de campo cercano. El microscopio óptico de campo cercano (NFO) involucró una apertura de sub-longitud de onda en el vértice de una punta transparente de punta afilada recubierta de metal, y un mecanismo de retroalimentación para mantener una distancia constante de unos pocos nanómetros entre la muestra y la sonda. Lewis y col. también eran conscientes del potencial de un microscopio NFO en este momento. Informaron los primeros resultados en 1986 que confirman la superresolución. En ambos experimentos, detalles a continuación 50 nm (aproximadamente λ 0 /10) de tamaño podrían ser reconocidos.

Teoría

Según 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 dispersión de cada punto de la 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 corresponderán exactamente al objeto. Por tanto, la resolución mínima (d) del componente óptico está limitada por su tamaño de apertura y expresada por el criterio de Rayleigh :

Aquí, λ 0 es la longitud de onda en el vacío; NA es la apertura numérica para 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 λ 0 /2 para la microscopía óptica convencional.

Este tratamiento solo asume la luz difractada en el campo lejano que se propaga sin restricciones. NSOM hace uso de campos evanescentes o no propagantes 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 disminuyen exponencialmente con la distancia al objeto. Debido a esto, el detector debe colocarse muy cerca de la muestra en la zona de campo cercano, normalmente unos pocos nanómetros. Como resultado, la microscopía de campo cercano sigue siendo principalmente una técnica de inspección de superficies. Luego, el detector se raspa a lo largo de la muestra utilizando una platina piezoeléctrica . El escaneo se puede realizar a una altura constante o con altura regulada mediante el uso de un mecanismo de retroalimentación.

Modos de operacion

Operación con apertura y sin apertura

Esquema de a) punta típica con recubrimiento de metal yb) punta afilada sin recubrimiento.

Existen NSOM que se pueden operar 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 apertura son muy afiladas y no tienen un revestimiento metálico.

Aunque hay muchos problemas asociados con las puntas con apertura (calentamiento, artefactos, contraste, sensibilidad, topología e interferencia, entre otros), el modo de apertura sigue siendo más popular. Esto se debe principalmente a que el modo sin apertura es aún más complejo de configurar y operar, y no se comprende tan bien. Hay cinco modos principales de operación NSOM con apertura y cuatro modos principales de operación NSOM sin apertura. Los principales se ilustran en la siguiente figura.

Modos de operación con apertura: a) iluminación, b) colección, c) colección de iluminación, d) reflexión ye) colección de reflexión.
Modos de funcionamiento sin apertura: a) efecto túnel de fotones (PSTM) mediante una punta transparente afilada, b) PSTM mediante una punta opaca afilada sobre una superficie lisa, yc) microscopía interferométrica de escaneo sin apertura con doble modulación.

Algunos tipos de operación NSOM utilizan una sonda de campanario , 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 se funcionaliza con fuentes de luz activa como un tinte fluorescente o incluso un diodo emisor de luz que permite la excitación de la fluorescencia.

Los méritos de las configuraciones NSOM con apertura y sin apertura se pueden combinar en un diseño de sonda híbrida, que contiene una punta metálica unida al costado de una fibra óptica ahusada. En el rango visible (400 nm a 900 nm), aproximadamente el 50% de la luz incidente se puede enfocar hacia el vértice de la punta, que tiene un radio de alrededor de 5 nm. Esta sonda híbrida puede enviar la luz de excitación a través de la fibra para realizar espectroscopía Raman mejorada en la punta (TERS) en el vértice de la punta y recopilar las señales Raman a través de la misma fibra. Se ha demostrado el sistema STM-NSOM-TERS de fibra de entrada y salida sin lentes.

Mecanismos de retroalimentación

Los mecanismos de retroalimentación se utilizan generalmente para lograr imágenes de alta resolución y sin artefactos, ya que la punta debe colocarse a unos pocos nanómetros de las superficies. Algunos de estos mecanismos son la retroalimentación de fuerza constante y la retroalimentación de fuerza de corte.

El modo de retroalimentación de fuerza constante es similar al mecanismo de retroalimentación utilizado en la microscopía de fuerza atómica (AFM). Los experimentos se pueden realizar en los modos de contacto, contacto intermitente y sin contacto.

En el modo de retroalimentación de fuerza de corte, se monta un diapasón junto a la punta y se hace oscilar a su frecuencia de resonancia. La amplitud está estrechamente relacionada con la distancia entre la punta y la superficie y, por lo tanto, se utiliza como mecanismo de retroalimentación.

Contraste

Es posible aprovechar las diversas técnicas de contraste disponibles para microscopía óptica a través de NSOM pero con una resolución mucho mayor. Usando el cambio en la polarización de la luz o la intensidad de la luz en función de la longitud de onda incidente, es posible hacer uso de técnicas de mejora del contraste tales como tinción , fluorescencia , contraste de fase y contraste 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.

Instrumentación y configuración estándar

Diagrama de bloques de una configuración NSOM de reflexión de regreso a la fibra sin apertura con control de distancia de fuerza de corte y polarización cruzada; 1: divisor de haz y polarizadores cruzados; 2: disposición de fuerza cortante; 3: montaje de muestra en una platina piezoeléctrica.

Los componentes principales de una configuración NSOM son la fuente de luz, el mecanismo de retroalimentación, la punta de escaneo, el detector y la etapa de muestra piezoeléctrica. La fuente de luz suele ser un láser enfocado en una fibra óptica a través de un polarizador , un divisor de haz y un acoplador. El polarizador y el divisor de haz servirían para eliminar la luz parásita de la luz reflejada que regresa. La punta de escaneo, dependiendo del modo de operación, suele ser una fibra óptica estirada o estirada recubierta de metal excepto en la punta o simplemente un voladizo AFM estándar con un orificio en el centro de la punta piramidal. Se pueden utilizar detectores ópticos estándar, como fotodiodo de avalancha , tubo fotomultiplicador (PMT) o CCD . Las técnicas NSOM altamente especializadas, Raman NSOM, por ejemplo, tienen requisitos de detección mucho más estrictos.

Espectroscopia de campo cercano

Como su nombre lo indica, la información se recopila por medios espectroscópicos en lugar de obtener imágenes en el régimen de campo cercano. A través de la espectroscopia de campo cercano (NFS), uno puede sondear espectroscópicamente con una resolución de sub-longitud de onda. Raman SNOM y fluorescencia SNOM son dos de las técnicas NFS más populares, ya que permiten la identificación de características nanométricas con contraste químico. Algunas de las técnicas espectroscópicas de campo cercano comunes se encuentran a continuación.

El NSOM Raman local directo se basa en la espectroscopia Raman. La apertura Raman NSOM está limitada por puntas muy calientes y contundentes, y por largos tiempos de recolección. Sin embargo, NSOM sin apertura se puede utilizar para lograr altos factores de eficiencia de dispersión Raman (alrededor de 40). Los artefactos topológicos dificultan la implementación de esta técnica para superficies rugosas.

La espectroscopía Raman mejorada con punta (TERS) es una rama de la espectroscopía Raman mejorada de superficie (SERS). Esta técnica se puede utilizar en una configuración NSOM de fuerza de corte sin apertura o mediante el uso de una punta AFM recubierta con oro o plata. Se encuentra que la señal Raman se mejora significativamente debajo de la punta AFM. Esta técnica se ha utilizado para dar variaciones locales en los espectros Raman bajo un nanotubo de pared simple. Se debe utilizar un espectrómetro optoacústico de alta sensibilidad para la detección de la señal Raman.

La fluorescencia NSOM es una técnica muy popular y sensible que utiliza la fluorescencia para la obtención de imágenes de campo cercano y es especialmente adecuada para aplicaciones biológicas. La técnica de elección aquí es sin apertura de regreso a la emisión de fibra en modo de fuerza de corte constante. Esta técnica utiliza tintes a base de merocianina incrustados en una resina adecuada. Los filtros de borde se utilizan para eliminar toda la luz láser primaria. Se puede lograr una resolución tan baja como 10 nm utilizando esta técnica.

La espectrometría infrarroja de campo cercano y la microscopía dieléctrica de campo cercano utilizan sondas de campo cercano para combinar la microscopía submicrónica con la espectroscopía IR localizada.

El método nano-FTIR es una espectroscopia a nanoescala de banda ancha que combina NSOM sin apertura con iluminación de banda ancha y detección FTIR para obtener un espectro infrarrojo completo en cada ubicación espacial. Se ha demostrado la sensibilidad a un único complejo molecular y una resolución a nanoescala de hasta 10 nm con nano-FTIR.

Artefactos

NSOM puede ser vulnerable a artefactos que no son del modo de contraste deseado. La raíz más común de los artefactos en NSOM son la rotura de la punta durante el escaneo, el contraste rayado, el contraste óptico desplazado, la concentración de luz de campo lejano local y los artefactos topográficos.

En NSOM sin apertura, también conocido como SNOM de tipo dispersión o s-SNOM, muchos de estos artefactos se eliminan o pueden evitarse mediante la aplicación de una técnica adecuada.

Limitaciones

Una limitación es una distancia de trabajo muy corta y una profundidad de campo extremadamente reducida . Normalmente se limita a estudios de superficie; sin embargo, se puede aplicar para investigaciones del subsuelo dentro de la profundidad de campo correspondiente. En el modo de fuerza cortante y otras operaciones de contacto, no es propicio para estudiar materiales blandos. Tiene tiempos de escaneo prolongados para áreas de muestra grandes para obtener imágenes de alta resolución.

Ver también

Referencias

enlaces externos