近接場走査光学顕微鏡

近接場走査型光学顕微鏡（NSOM）または走査型近接場光学顕微鏡（SNOM）は、エバネッセント波の特性を利用して遠距離場分解能の限界を打ち破るナノ構造調査用の顕微鏡技術である。SNOMでは、励起レーザー光は励起波長よりも小さい直径の開口部を通して焦点を合わせられ、開口部の遠側にエバネッセント場（または近接場）が形成される。^[3]サンプルが開口部の下の小さな距離で走査される場合、透過光または反射光の光学分解能は開口部の直径によってのみ制限される。特に、6 nmの横方向分解能^[4]と2〜5 nmの垂直分解能が実証されている。^{[5] [6]}

光学顕微鏡と同様に、コントラスト機構は屈折率、化学構造、局所応力などのさまざまな特性を研究するために簡単に適応できます。この技術を使用すると、サブ波長スケールで動的特性を研究することもできます。

NSOM/SNOM は走査型プローブ顕微鏡の一種です。

エドワード・ハッチンソン・シングは、近接場での回折を励起・収集することで画像化する画像化装置のアイデアを考案し、開発した功績がある。1928年に提案された彼の当初のアイデアは、約100nmの小さな開口部を持つ薄い不透明な金属フィルムの背後で加圧されたアークからの強力でほぼ平面的な光を利用するというものだった。開口部は表面から100nm以内にとどまり、情報は点ごとの走査によって収集されることになっていた。彼は、照明と検出器の動きが最大の技術的困難であると予見した。^{[7] [8]}ジョン・A・オキーフも1956年に同様の理論を展開した。彼は、ピンホールや検出器がサンプルに非常に近いときに動いてしまうことが、このような装置の実現を妨げる最も可能性の高い問題だと考えた。^{[9] [10]} 1972年に、波長3cmのマイクロ波放射を使用してアッベの回折限界を初めて破ったのは、ロンドン大学のアッシュとニコルズでした。線状格子は、λ ₀ /60の解像度で解像されました。^{[11] 10年後、}ディーター・ポールが光学近接場顕微鏡の特許を申請し、^[12] 1984年には近接場スキャンに可視放射を使用した最初の論文が続きました。^[13] 近接場光学（NFO）顕微鏡は、金属でコーティングされた鋭く尖った透明なチップの頂点にあるサブ波長の開口部と、サンプルとプローブの間の数ナノメートルの一定距離を維持するためのフィードバック機構を備えていました。ルイスらもこの頃、NFO顕微鏡の可能性に気づいていました。^[14]彼らは1986年に超解像を確認する最初の結果を報告しました。^{[15] [16]}どちらの実験でも、50nm（約λ0/10）以下のサイズの詳細を_認識することができました。

1873 年に開発されたアッベの像形成理論によれば、光学部品の解像能力は、回折による各像点の広がりによって最終的に制限されます。光学部品の開口部が回折光をすべて集めるのに十分な大きさでなければ、像の細かい部分は対象物と正確に一致しません。したがって、光学部品の最小解像度 (d) はその開口部のサイズによって制限され、レイリー基準によって表されます。

${\displaystyle d=0.61{\frac {\lambda _{0}}{N\!A}}\;\!}$

ここで、λ0_は真空中の波長、NAは光学部品の開口数（倍率が非常に高い現代の対物レンズでは最大1.3～1.4）である。したがって、従来の光学顕微鏡の解像度の限界は通常λ0/2程度である_。 [ ^17]

この処理では、制限なく伝播する遠距離場に回折された光のみが考慮されます。NSOM は、物体の表面付近にのみ存在するエバネッセント場または非伝播場を利用します。これらの場は物体に関する高周波空間情報を運び、物体からの距離に応じて強度が指数関数的に低下します。このため、検出器はサンプルの非常に近い近傍場ゾーン (通常は数ナノメートル) に配置する必要があります。その結果、近接場顕微鏡法は主に表面検査技術のままです。次に、検出器は圧電ステージを使用してサンプル全体にラスタースキャンされます。スキャンは、一定の高さで行うことも、フィードバック機構を使用して高さを調整して行うこともできます。^[18]

いわゆるアパーチャモードで動作可能な NSOM と、非アパーチャモードで動作するための NSOM があります。図に示すように、アパーチャレスモードで使用されるチップは非常に鋭く、金属コーティングされていません。

開口部付きチップには多くの問題 (加熱、アーティファクト、コントラスト、感度、トポロジー、干渉など) がありますが、開口部モードの方が依然として人気があります。これは主に、開口部なしモードのセットアップと操作がさらに複雑で、あまり理解されていないためです。開口部付き NSOM の動作には 5 つの主要なモードがあり、開口部なし NSOM の動作には 4 つの主要なモードがあります。主なものを次の図に示します。

NSOM操作のいくつかのタイプでは、金属でコーティングされた2つの面を持つ四角錐の形をした鐘楼型プローブが利用されます。このようなプローブは、高い信号収集効率（> 90％）と周波数カットオフがありません。 ^[21]もう1つの選択肢は「アクティブチップ」方式で、チップは蛍光染料^[22]や蛍光励起を可能にする発光ダイオードなどのアクティブ光源で機能化されます。^[23]

開口型と開口なし型の NSOM 構成の利点は、テーパー型光ファイバーの側面に取り付けられた金属チップを含むハイブリッドプローブ設計に統合できます。可視範囲 (400 nm ～ 900 nm) では、入射光の約 50% を半径約 5 nm のチップ先端に集光できます。このハイブリッドプローブは、励起光をファイバーを通して送り、チップ先端でチップ増強ラマン分光法(TERS) を実現し、同じファイバーを通してラマン信号を収集できます。レンズフリーのファイバーインファイバーアウト STM-NSOM-TERS が実証されています。^[24]

フィードバック機構は、通常、高解像度でアーティファクトのない画像を実現するために使用されます。これは、先端を表面から数ナノメートル以内に配置する必要があるためです。これらの機構には、一定の力のフィードバックとせん断力のフィードバックがあります。

定力フィードバック モードは、原子間力顕微鏡(AFM) で使用されるフィードバック メカニズムに似ています。接触モード、断続接触モード、非接触モードで実験を実行できます。

せん断力フィードバックモードでは、音叉を先端部に沿って取り付け、その共振周波数で振動させる。振幅は先端部と表面の距離に密接に関係しており、フィードバック機構として使用される。^[18]

NSOM では、光学顕微鏡で利用できるさまざまなコントラスト技術を、はるかに高い解像度で利用できます。光の偏光の変化や光の強度を入射波長の関数として利用することで、染色、蛍光、位相差、微分干渉コントラストなどのコントラスト強調技術を利用できます。また、屈折率、反射率、局所応力、磁気特性などの変化を利用してコントラストを提供することも可能です。^{[18] [19]}

NSOM セットアップの主なコンポーネントは、光源、フィードバック機構、走査チップ、検出器、圧電サンプルステージです。光源は通常、偏光子、ビームスプリッタ、カプラを介して光ファイバーに焦点を合わせたレーザーです。偏光子とビームスプリッタは、反射して戻ってきた光から迷光を除去する役割を果たします。走査チップは、動作モードによって異なりますが、通常は先端を除いて金属でコーティングされた引っ張られた光ファイバー、またはピラミッド型チップの中央に穴が開いた標準的な AFM カンチレバーです。アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管 (PMT)、CCDなどの標準的な光検出器を使用できます。ラマンNSOM などの高度に特殊化された NSOM 技術では、検出器の要件がはるかに厳しくなります。^[19]

名前が示すように、情報は近接場領域での画像化ではなく分光法によって収集されます。近接場分光法 (NFS) により、波長以下の解像度で分光的に調査することができます。ラマン SNOM と蛍光 SNOM は、化学的なコントラストでナノサイズの特徴を識別できるため、最も人気のある 2 つの NFS 技術です。一般的な近接場分光法のいくつかを以下に示します。

直接ローカル ラマン NSOM は、ラマン分光法に基づいています。アパーチャ ラマン NSOM は、先端が非常に高温で鈍いことと、収集時間が長いことなどの制限があります。ただし、アパーチャレス NSOM を使用すると、高いラマン散乱効率係数 (約 40) を実現できます。トポロジカル アーティファクトにより、この手法を粗い表面に実装することは困難です。

チップ増強ラマン分光法(TERS) は、表面増強ラマン分光法(SERS)から派生したものです。この技術は、アパーチャレスせん断力 NSOM セットアップで使用することも、金または銀でコーティングされた AFM チップを使用して使用することもできます。ラマン信号は、AFM チップの下で大幅に増強されることがわかっています。この技術は、単層ナノチューブの下でラマン スペクトルに局所的な変化を与えるために使用されています。ラマン信号の検出には、高感度の光音響分光計を使用する必要があります。

蛍光 NSOM は、蛍光を近接場画像化に利用する非常に人気があり感度の高い技術で、特に生物学的用途に適しています。ここで選択される技術は、一定のせん断力モードでのファイバー放射に対する無開口バックです。この技術では、適切な樹脂に埋め込まれたメロシアニンベースの染料を使用します。エッジ フィルターは、すべての一次レーザー光を除去するために使用されます。この技術を使用すると、10 nm という低い解像度を実現できます。^{[引用が必要]}

近接場赤外分光法と近接場誘電顕微鏡法^[19]は、近接場プローブを使用してサブミクロン顕微鏡法と局所IR分光法を組み合わせたものである。^[25]

ナノFTIR ^[26]法は、開口のないNSOMと広帯域照明およびFTIR検出を組み合わせた広帯域ナノスケール分光法であり、あらゆる空間位置で完全な赤外線スペクトルを取得します。ナノFTIRでは、単一分子複合体に対する感度と最大10nmのナノスケール分解能が実証されています。^[27]

ナノフォーカス技術は、先端の頂点にナノメートル規模の「白色」光源を作り出すことができ、これを用いて分光分析のために近接場でサンプルを照射することができる。個々の単層カーボンナノチューブのバンド間光学遷移が画像化され、約6nmの空間分解能が報告されている。^[28]

NSOM は、意図したコントラスト モード以外のアーティファクトの影響を受けやすい場合があります。NSOM におけるアーティファクトの最も一般的な原因は、スキャン中のチップ破損、縞模様のコントラスト、光学コントラストのずれ、局所的な遠距離場の光集中、および地形アーティファクトです。

散乱型SNOMまたはs-SNOMとしても知られるアパーチャレスNSOMでは、これらのアーティファクトの多くは適切な技術の適用によって排除されるか回避することができます。^[29]

1 つの制限は、作動距離が非常に短く、被写界深度が極めて浅いことです。通常は表面調査に限定されますが、対応する被写界深度内では表面下の調査にも適用できます。せん断力モードやその他の接触操作では、柔らかい材料の研究には適していません。高解像度の画像化では、サンプル領域が広いため、スキャン時間が長くなります。^{[引用が必要]}

追加の制限は、走査チップの近接場における検査光の偏光状態の主な方向です。金属製の走査チップは、偏光状態をサンプル表面に対して垂直に自然に方向付けます。異方性テラヘルツ顕微分光法などの他の技術では、異方性分子の分子内振動の空間依存性など、近接場走査光学顕微鏡では測定できない物理的特性を調べるために、面内偏光測定法が使用されています。

• 蛍光分光法
• ナノ光学
• 近接場光学

• Wayback Machineの SNOM スキャン画像ギャラリー(2008 年 10 月 2 日アーカイブ)