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近接場走査光学顕微鏡( NSOM ) または走査近接場光学顕微鏡( SNOM ) は、エバネッセント波の特性を利用して遠視野分解能の限界を破るナノ構造調査用の顕微鏡技術です。SNOM では、励起レーザー光が励起波長よりも小さい直径の開口部を通して集光され、開口部の向こう側にエバネッセント場 (または近接場) が生じます。[ 3 ]サンプルが開口部のすぐ下で走査されると、透過光または反射光の光学分解能は開口部の直径のみによって制限されます。特に、横方向の分解能は 6 nm [ 4 ]、垂直方向の分解能は 2～5 nm が実証されています。[ 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、さまざまな特性の研究に容易に応用できる。この技術を用いることで、波長以下のスケールでの動的特性の研究も可能となる。
NSOM/SNOMは走査型プローブ顕微鏡の一種である。
エドワード・ハッチンソン・シンジは、近接場における回折を励起および収集することによって画像化するイメージング装置のアイデアを考案および開発した功績があるとされている。1928年に提案された彼の最初のアイデアは、約100 nmの小さな開口部を持つ薄い不透明な金属膜の後ろにある加圧されたアークからの強力なほぼ平面の光の使用に基づいていた。開口部は表面から100 nm以内に留まり、情報は点ごとのスキャンによって収集されることになっていた。彼は、照明と検出器の移動が最大の技術的困難であると予見していた。[ 7 ] [ 8 ]ジョン・A・オキーフも1956年に同様の理論を開発した。彼は、ピンホールまたは検出器がサンプルに非常に近い場合、その移動がそのような装置の実現を妨げる可能性のある最も可能性の高い問題であると考えていた。[ 9 ] [ 10 ] 1972年にユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのアッシュとニコルズが、波長3cmのマイクロ波を用いてアッベの回折限界を初めて破った。線状格子はλ 0 /60の分解能で解像された。[ 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出願し、[ 12 ] 1984年には可視光を用いた近接場走査に関する最初の論文が発表された。[ 13 ] 近接場光学（NFO）顕微鏡は、金属コーティングされた鋭利な透明な先端の頂点にサブ波長の開口部があり、サンプルとプローブ間の距離を数ナノメートルに一定に保つフィードバック機構を備えている。ルイスらもこの頃、NFO顕微鏡の可能性に気付いていた。[ 14 ]彼らは1986年に超解像を確認する最初の結果を報告した。[ 15 ] [ 16 ]両方の実験において、50 nm (約 λ 0 /10) 以下のサイズの詳細が認識できた。
1873年に開発されたアッベの像形成理論によれば、光学部品の分解能は、最終的には回折による各像点の広がりによって制限されます。光学部品の開口部がすべての回折光を集めるのに十分な大きさでない限り、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、光学部品の最小分解能（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。
ここで、λ 0は真空中の波長、NA は光学部品の開口数（非常に高い倍率を持つ最新の対物レンズでは最大 1.3～1.4）です。したがって、従来の光学顕微鏡では、分解能の限界は通常 λ 0 /2 付近になります。[ 17 ]
この処理では、制限なく伝搬する遠視野に回折した光のみを考慮します。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搬場を利用します。これらの場は物体の高周波空間情報を保持し、物体からの距離とともに強度が指数関数的に減少します。このため、検出器はサンプルのごく近く、通常は数ナノメートルの近視野領域に配置する必要があります。結果として、近接場顕微鏡は主に表面検査技術のままです。検出器は、圧電ステージを使用してサンプル上をラスタースキャンします。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 ]
NSOMには、いわゆる開口モードで動作するものと、非開口モードで動作するものがある。図示されているように、非開口モードで使用されるチップは非常に鋭利で、金属コーティングが施されていない。
開口チップには、発熱、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、多くの問題がありますが、開口モードの方が依然として人気があります。これは主に、開口なしモードは設定と操作がさらに複雑で、十分に理解されていないためです。開口付きNSOMの動作には5つの主要なモードがあり、開口なしNSOMの動作には4つの主要なモードがあります。主なモードは次の図に示されています。
NSOM の動作タイプによっては、2 つの面が金属でコーティングされた四角錐形状の鐘形プローブを使用するものがあります。このようなプローブは信号収集効率が高く (> 90%)、周波数カットオフがありません。 [ 21 ]別の選択肢として、「アクティブ チップ」方式があり、チップは蛍光色素[ 22 ]や蛍光励起を可能にする発光ダイオード[ 23 ]などのアクティブ光源で機能化されています。
開口部ありおよび開口部なしの NSOM 構成の利点は、テーパー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で統合できます。可視光域 (400 nm ～ 900 nm) では、入射光の約 50% が半径約 5 nm のチップ先端に集光されます 。このハイブリッドプローブは、ファイバーを通して励起光を伝送し、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。レンズなしのファイバー入力ファイバー出力 STM-NSOM-TERS が実証されています。[ 24 ]
プローブ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、高解像度でアーティファクトのない画像を得るためには、通常フィードバック機構が使用されます。これらの機構には、定力フィードバックとせん断力フィードバックなどがあります。
定常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機構と同様です。実験は、接触モード、断続接触モード、非接触モードで実施できます。
せん断力フィードバックモードでは、音叉が先端の横に取り付けられ、共振周波数で振動するようにします。振幅は先端と表面間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ます。[ 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活用できます。入射波長の関数として光の偏光の変化または光の強度を利用することで、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 セットアップの主要コンポーネントは、光源、フィードバック機構、走査チップ、検出器、および圧電サンプル ステージです。光源は通常、偏光子、ビーム スプリッター、およびカプラを介して光ファイバーに集光されたレーザーです。偏光子とビーム スプリッターは、戻ってくる反射光から迷光を除去する役割を果たします。走査チップは、動作モードに応じて、先端を除いて金属でコーティングされた引き伸ばされた光ファイバー、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)、またはCCDなどの標準的な光検出器を使用できます。ラマンNSOM などの高度に専門化された NSOM 技術では、より厳しい検出器要件があります。[ 19 ]
その名の通り、近接場領域での画像化ではなく、分光法によって情報を収集します。近接場分光法（NFS）を用いることで、波長以下の分解能で分光的にプローブすることが可能です。ラマンSNOMと蛍光SNOMは、化学的コントラストによってナノサイズの特徴を識別できるため、最も一般的なNFS技術の2つです。以下に、一般的な近接場分光技術をいくつか示します。
直接局所ラマンNSOMはラマン分光法に基づいています。開口型ラマンNSOMは、非常に高温で鈍い探針と長い収集時間によって制限されます。しかし、開口なしNSOMを使用すれば、高いラマン散乱効率係数（約40）を達成できます。トポロジー的なアーティファクトのため、この技術を粗い表面に適用するのは困難です。
先端増強ラマン分光法（TERS）は、表面増強ラマン分光法（SERS）の派生技術です。この技術は、開口部のないせん断力型NSOM装置、または金や銀でコーティングされたAFMチップを用いて使用できます。AFMチップの下ではラマン信号が著しく増強されることがわかっています。この技術は、単層カーボンナノチューブ下のラマンスペクトルの局所的な変化を調べるために用いられてきました。ラマン信号の検出には、高感度光音響分光計を使用する必要があります。
蛍光NSOMは、蛍光を利用した近接場イメージングを行う、非常に人気が高く高感度な技術であり、特に生物学的応用に適しています。ここで採用されている技術は、一定せん断力モードでファイバー発光に戻る開口レス方式です。この技術では、適切な樹脂に埋め込まれたメロシアニン系色素を使用します。エッジフィルターを用いて、すべての一次レーザー光を除去します。この技術を用いることで、10 nmという低解像度を 実現できます。
近接場赤外分光法および近接場誘電体顕微鏡法[ 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ます。[ 25 ]
ナノFTIR [ 26 ]法は、開口部のない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10 nmのナノスケール分解能が実証されています。[ 27 ]
ナノフォーカシング技術は、先端にナノメートルスケールの「白色」光源を生成することができ、これを用いて近視野で試料を照射し、分光分析を行うことができる。個々の単層カーボンナノチューブにおけるバンド間光遷移が画像化され、約6 nm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に起因しないアーティファクトの影響を受けやすい。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、光学的コントラストのずれ、局所的な遠視野光の集中、および地形的アーティファクトである。
開口なしNSOM（散乱型SNOMまたはs-SNOMとも呼ばれる）では、適切な技術を適用することで、これらのアーティファクトの多くが除去されるか、回避される。[ 29 ]
一つの制約は、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あれば地下調査にも適用可能です。せん断力モードやその他の接触操作では、軟質材料の研究には適していません。高解像度イメージングのために広いサンプル領域をスキャンする場合、スキャン時間が長くなります。
もう一つの制約は、走査チップの近接場における探査光の偏光状態の主要な方向です。金属製の走査チップは、自然と偏光状態を試料表面に垂直な方向に向けます。異方性テラヘルツマイクロ分光法などの他の技術では、面内偏光測定法を利用して、近接場走査型光学顕微鏡ではアクセスできない物理的特性、例えば異方性分子における分子内振動の空間依存性などを研究します。
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