光子走査顕微鏡

屈折率n ₁の媒質を通過する光線が、屈折率 n ₂の別の媒質との界面に入射する場合(n ₁ > n ₂ )、入射角が臨界角より小さい場合は、光線は部分的に第 2 媒質を透過し、部分的に第 1 媒質で反射されます。臨界角では、入射光線は界面に接線方向に屈折します (つまり、2 つの媒質の境界に沿って進みます)。入射角が臨界角より大きい場合 (入射光線が界面にほぼ平行な場合)、光は第 1 媒質内で完全に反射され、これは全反射として知られています。PSTM の場合、第 1 媒質はプリズム (通常はガラス製) であり、第 2 媒質はプリズムの上の空気です。^{[ 5 ]}

全反射では、第2の媒質を通してエネルギーは伝搬されませんが、界面付近の第2の媒質にはゼロでない電場が存在します。この電場は界面からの距離が増加するにつれて指数関数的に減衰し、エバネッセント場として知られています。図1は、界面（プリズムの表面）に誘電体サンプルが置かれていることでエバネッセント場の光学的成分が変調されることを示しており、したがって、この場にはサンプル表面に関する詳細な光学的情報が含まれています。この画像は回折限界遠方場では失われますが、近視野領域（距離<λ）を​​プローブし、サンプルによって誘起されるエバネッセント場の変調を検出することで、詳細な光学的画像を構築することができます。^{[ 7 ]}

これは、全反射の阻害、すなわちエバネッセント場結合によって実現されます。これは、屈折率 n ₃ (n ₃ > n ₂ ) の第 3 媒体 (この場合は先端が尖った光ファイバープローブ) を界面から λ 未満の距離に近づけたときに発生します。この距離では、第 3 媒体がエバネッセント場と重なり、第 1 媒体における光の全反射を阻害し、第 3 媒体における波の伝搬を可能にします。このプロセスは量子トンネル効果に類似しています。第 1 媒体内に閉じ込められた光子は、第 2 媒体 (光子が存在できない場所) をトンネル効果によって通過し、第 3 媒体に入ることができます。PSTM では、トンネル効果によって通過した光子は光ファイバープローブを通って検出器に導かれ、そこでエバネッセント場の詳細な画像が再構成されます。プローブと表面間の結合度は距離に大きく依存します。これは、エバネッセント場が界面からの距離の指数関数的に減衰する関数であるためです。したがって、結合度は、表面に置かれたサンプルの地形情報を得るために、プローブ先端から表面までの距離を測定するために使用されます。^{[ 5 ] [ 7 ]}

表面から距離 z におけるエバネッセント場の強度は、次の関係式で与えられる。

I~exp(-γz)

ここでγは場の減衰定数であり、次のように表される。

γ = 2k ₂ (n ₁₂ ² sin ² θ _i − 1) ^1/2

ここで、n ₁₂ =(n ₁ /n ₂ )、n ₁は第 1 媒質の屈折率、n ₂は第 2 媒質の屈折率、k は入射波ベクトルの大きさ、θ _iは入射角です。減衰定数は、表面からプローブ先端への光子の透過率を決定するために使用されますが、結合の程度は、エバネッセント場と接触するプローブ先端領域の長さ、プローブ先端の形状、および開口部のサイズ (開口プローブの場合) など、プローブ先端の特性にも大きく依存します。したがって、高さの関数としてのプローブ先端への光学的結合の程度は、特定の装置とプローブ先端に対して個別に決定する必要があります。実際には、これは通常、プローブを表面に垂直に走査し、先端の高さの関数として検出器の信号を監視することによって、装置の校正中に決定されます。したがって、減衰定数は経験的に求められ、横方向の走査中に得られた信号を解釈し、定常信号走査中に圧電トランスデューサのフィードバック点を設定するために使用されます。^{[ 7 ]}

減衰定数は通常、経験的方法によって決定されますが、プローブ先端の形状とサンプル距離を考慮したプローブとサンプルの結合相互作用の詳細な数学モデルがGoumri-Saidらによって発表されています^{[ 8 ] [ 9 ]} 。多くの場合、エバネッセント場は主にサンプル表面のトポグラフィーによって変調されるため、検出された光信号はサンプルのトポグラフィーとして解釈できます。しかし、サンプルの屈折率と吸収特性は、検出されたエバネッセント場にさらなる変化をもたらす可能性があり、光学データとトポグラフィーデータを分離する必要があります。これは多くの場合、PSTMをAFMなどの他の技術と結合することによって実現されます（下記参照）。Reddickは、サンプル表面での散乱や吸収などの二次効果によるエバネッセント場の変調を考慮するための理論モデルも開発しました^{[ 10 ] 。}

PSTM装置の分解能は、プローブ先端の形状と直径に大きく依存します。プローブは通常、HF溶液中で光ファイバーを化学エッチングすることによって作製され、開口部のあるものと開口部のないものがあります。化学エッチングを使用すると、曲率半径が20  nmという低いファイバー先端が作製されています。開口部のある先端では、鋭利化されたファイバーの側面に金属またはその他の材料がスパッタコーティングされます。これにより、光子がプローブの側面にトンネルするのを制限し、より一貫性のある正確なエバネッセント場結合を維持することができます。ファイバープローブの剛性のため、表面に短時間接触しただけでもプローブ先端が破壊されます。^{[ 12 ]}

プローブ先端が大きいほどエバネッセント場との結合度が高くなり、光ファイバーのエバネッセント場との相互作用面積が大きくなるため、集光効率が向上します。しかし、先端が大きい場合の主な欠点は、表面の凹凸との衝突確率が高くなること、および光子がプローブ側面へトンネル効果によって侵入する確率が高くなることです。より急峻な表面形状を衝突なく解像するには、より細いプローブ先端が必要ですが、その分集光効率は低下します。

図3は、金属コーティングを施したファイバープローブを示しています。金属コーティングされたファイバープローブでは、開口部、つまりプローブ先端のコーティングされていない領域の直径と形状によって、集光効率が決まります。円錐角が広いほど、開口径は大きくなり、プローブの長さは短くなります。一方、円錐角が狭いほど、開口径は小さくなり、プローブは長くなります。プローブの長く狭い部分が、より広い円錐角を持つ先端へとテーパー状になっている二重テーパープローブ先端が開発されています。これにより、集光効率を高めるための広い開口部が得られる一方で、衝突のリスクを低く抑えながら、急峻な表面形状を解像できる長く狭いプローブ先端を維持できます。^{[ 13 ]}

改良型PSTM装置を用いてフォトルミネッセンススペクトルを記録できることが実証されている。フォトルミネッセンス分光法をPSTMと組み合わせることで、試料の局所的なナノスケール領域からの発光を観察することができ、不均一な試料における表面形態や化学的差異によって材料のフォトルミネッセンス特性がどのように変化するかを 理解することができる。この実験では、励起光源として全反射の442 nm He-Cdレーザービームを使用した。光ファイバーからの信号は、まずモノクロメーターを通過してから光電子増倍管に到達し、信号が記録された。ルビー結晶試料の局所領域からフォトルミネッセンススペクトルが記録された。^{[ 14 ]その後の論文では、液体窒素下で極低温冷却されたCr3 +}イオン注入サファイアの蛍光スペクトルを記録するためにPSTMを使用することが実証された。この技術により、フォトルミネッセンス特性が温度に大きく依存し、極低温で研究する必要がある半導体試料の個々の表面特徴を特徴付けることができる。^{[ 15 ]}

PSTMは赤外線領域のスペクトルを記録するように改良されました。カスケードアークと自由電子レーザーCLIOの両方を赤外線光源として使用し、ジアゾキノン樹脂から赤外線吸収スペクトルを記録しました。この動作モードでは、使用する赤外線波長を効果的に収集および記録するために、フッ化物ガラスファイバーとHgCdTe検出器が必要です。さらに、背景ノイズを十分に低減するために、ファイバーの先端は金属コーティングされ、収集中に振動する必要があります。まず、サンプルに吸収されない波長を使用して表面を画像化する必要があります。次に、収集中に各ポイントで光源を目的の赤外線波長にステップします。スペクトルは、異なる波長で記録された画像の差を分析することによって取得されます。^{[ 14 ] [ 16 ]}

図4は、PSTM、AFM、および従来の顕微鏡の組み合わせを示しています。PSTMとAFMでは、シリコン窒化物カンチレバーを光学プローブチップとして使用することで、(AFM)とPSTMを同時に実行できます。これにより、記録された光信号をAFMで取得した高解像度のトポグラフィーデータと比較できます。シリコン窒化物は、300 nmまで光学的に透明であるため、光学プローブチップに適した材料です 。ただし、光伝導性がないため、プローブチップで収集された光子は、光ファイバーを通るのではなく、レンズを通して検出器に集束する必要があります。この装置は、定高モードまたは定力モードで動作させることができ、 チップのコンボリューションにより解像度は10～50 nmに制限されます。PSTMで得られる光信号は、トポグラフィーだけでなくサンプルの光学的特性にも影響されるため、PSTMデータとAFMデータを比較することで、サンプルの吸光度を決定できます。ある研究では、 この方法を用いて10,12-ペンタコサジイン酸（PCA）のラングミュア・ブロジェット膜の514 nmの吸光度が記録された。^{[ 17 ]}

PSTMは、走査型トンネル顕微鏡（ESTM）および原子間力顕微鏡（AFM）と組み合わせることで、試料の光学的、導電的、およびトポロジー情報を同時に記録することができます。岩田らによって発表されたこの実験装置は、太陽電池などの半導体やその他の光伝導性材料の特性評価を可能にします。実験構成では、先端径が100  nm未満に尖らせた曲がった光ファイバーをITO層と薄いAu層でコーティングしたカンチレバーを使用します。したがって、このファイバープローブは、力検出用のAFMカンチレバーとして機能し、光学的データを記録するための光学的伝導性と、試料からの電流を記録するための電気的伝導性を備えています。3つの検出方法からの信号は、トポグラフィー情報、光学的情報、および電気的情報を信号から分離するために、同時に独立して記録されます。

この装置は、プリズムに固定された ITO 基板上にパターン化された金の正方形アレイ上に堆積されたフタロシアニン銅の特性評価に使用されました。プリズムは、636  nm、533  nm、および 441  nm (光学フィルターを使用して白色光レーザーから選択) で全反射により照明され、異なる励起波長での光伝導イメージングが可能になりました。フタロシアニン銅は半導体有機金属化合物です。この化合物の導電率は、電流がフィルムを通り抜け、プローブ先端にトンネルするのに十分な高さです。この材料の光伝導特性により、光生成された電荷キャリアの数の増加により、照射下で導電率が増加します。上記の新しいイメージング技術を使用して、サンプルの光学画像と地形画像を取得しました。フィルムの点接触領域の光伝導率の変化は、異なる励起波長で観察されました。^{[ 18 ]}