پاورپوینت میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک(1)

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک(1)

اسلاید 2 :

روشهای شناسایی نانوساختارها
میکروسکوپهای پروبی روبشی

اسلاید 3 :

مقدمه
میکروسکوپ های نوری روبشی میدان نزدیک، زیر مجموعه دیگری از مجموعه بزرگ میکروسکوپ های پروبی روبشی هستند.
از یک منبع نوری کوچک با طول موجی کمتر از طول موج نور برای پروب (کاوشگر) روبش کننده استفاده می شود.
با استفاده از یک فیبر نوری نوک تیز و از طریق بهره گیری از روشی که در آن امواج نوری تداخل مخرب ندارند، امکان مطالعه انواع محیط ها وجود دارد.
پروب در ارتفاعی حدود چند نانومتر بالای سطح نمونه حرکت نموده و پس از روشن کردن آن توسط چشمه نور با ابعاد زیر طول موج نور مرئی، در محدوده میدان نزدیک، تصاویری با رزولوشن(قدرت تفکیک) بسیار بالاتر از حد پراش، بدست می آورد.

اسلاید 4 :

تاریخچه
پس از طرح ایده ادوارد هاتچینسن سینج در سال 1928، درباره وسیله ای که با جمع آوری پراش در میدان نزدیک، ایجاد تصویر نماید، مطالعات متعددی توسط دانشمندان و محققان مختلف از جمله آلبرت انیشتین ، در این زمینه صورت گرفت.
در سال 1972 مبانی کاری میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک روبشی (SNOM)، توسط اریک آلبرت اش و نیکولز، با استفاده از امواج با طول موج میکرو و شکستن حد پراش در تئوری ارنست ابه مطرح شد.
اولین اندازه گیری های مربوط به اپتیک میدان نزدیک بوسیله دایتر پل، در آزمایشگاه IBM زوریخ سوئیس در سال 1982 میلادی بطور رسمی اعلام شد .
نخستین میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک روبشی در سال 1991 توسط اریک بتزیگ و همکارانش در مجله Science، معرفی گردید.

اسلاید 5 :

اصول عملکرد اپتیکی
یکی از قوانین پایه فیزیک نور (اپتیک)، وجود حد پراش است:
حداقل اندازه ذره ای (R) که بوسیله یک سیستم نوری با استفاده از نوری با طول موج λ ، تصویر می شود:

n، ضریب شکست ماده دربرگیرنده ذره مورد نظر است.
برای طول موجهای محدوده مرئی، اندازه بحرانی حدود 300-200 نانومتر است.
روش های معمولی برای ایجاد تصاویر نوری، بعلت پراش نوری، با محدودیت های ذاتی و اساسی روبرو هستند.
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، از تمرکز و بررسی در نواحی بسیار کوچکتر از طول موج نور، ممانعت می نماید. این محدودیت ناشی از برهمکنش امواج الکترومغناطیس و نمونه است.

اسلاید 6 :

اصول عملکرد اپتیکی
امواج الکترومغناطیس به دو صورت پراکنده می شوند:

الف) امواج پیش رونده با بسامد فضایی کم
ب) امواج ناپایدار و میرا با بسامد فضایی بالا

محدود کردن نور به فضایی کوچکتر از نصف طول موج نور که همان حد پراش است، با استفاده از عدسی های متداول ممکن نیست.

اسلاید 7 :

میدان دور و میدان نزدیک
تشعشع الکترومغناطیسی که توسط یک دوقطبی الکتریکی ایجاد می شود، از دو قسمت تشکیل شده است :
میدان دور و میدان نزدیک

روش نوری کلاسیک، به محدوده میدان دور مربوط است که فقط امواج پیش رونده باقی می مانند.
امواج ناپایدار و میرا، مربوط به ناحیه میدان نزدیک، در فاصله کمتر از طول موج نسبت به نمونه، هستند.
به قسمت تشعشعی میدان الکترومغناطیس نزدیک به منبع انتشار نور، محدوده ای از فاصله که کمتر از طول موج نور لازم برای روشن کردن سطح نمونه باشد، میدان نزدیک گفته می شود.

اسلاید 8 :

میدان دور و میدان نزدیک

اسلاید 9 :

میدان دور و میدان نزدیک
در روشهای قدیمی اطلاعات مربوط به پرتوی با بسامد فضایی بالا از موج پراش یافته، در محدوده میدان دور از دست می روند و بنابراین آندسته از مشخصه های نمونه که مربوط به فواصل زیر حد طول موج می شود، بازیابی نمی گردند.
اساساً میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک از میدان نزدیک استفاده کرده تا بر محدودیت پراش غلبه نماید. این کار با قرار دادن آشکارساز یا منبع نور، معمولاً یک فیبر نوری، در نزدیکی سطح نمونه، با فاصله ای کمتر از طول موج، انجام می گردد.
دستیابی به رزولوشن فضایی تا مرتبه 10 نانومتر .

اسلاید 10 :

اساس عملکرد اپتیکی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
اساس تولید دستگاه میکروسکوپی میدان نزدیک، بر پایه پدیده عبور نور از میان دیافراگمی با اندازه کوچکتر از طول موج نور تابشی است.
الف)عبور نور از میان یک دریچه با اندازه زیر طول موج واقع در یک پرده
ب) خطوط شدت ثابت تابش نوری در ناحیه دریچه زیر طول موجی

اسلاید 11 :

اساس عملکرد اپتیکی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
عبور نور از میان یک دریچه با اندازه کوچکتر از طول موج نور:
ناحیه میدان نزدیک دقیقاً در پشت دریچه در محدوده Z<100a واقع شده است؛ در این حالت میدان الکترومغناطیسی موضعی بطور ناپایدار و میرا، و نه پیشرونده، ایجاد می شود.
در ناحیه میدان دور (Z>100a)، تنها مدهای تابشی مشاهده می گردد.
قدرت تابش پشت دریچه ، در ناحیه میدان دور، را می توان با فرمول زیر برآورد کرد:

در این رابطه k بردار موج و W0 دانسیته توان تابشی است.

اسلاید 12 :

اساس عملکرد اپتیکی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
برای تابشی با طول موج 500 نانومتر و دیافراگمهایی با دریچه ای حدود 5 نانومتر، توان تابشی در ناحیه میدان دور به توان ده برابر کمتر از توان تابشی مشخصه است.
چنانچه ذره مورد بررسی، دقیقاً پشت یک دریچه در ناحیه میدان نزدیک واقع شده باشد، بعلت برهمکنش مدهای ناپایدار و میرا با نمونه، مقداری از انرژی میدان الکترومغناطیسی به مدهای تابشی انتقال می یابد که شدت آن بوسیله یک آشکارساز نوری، قابل ضبط خواهد بود.
بنابراین تصویر میدان نزدیک بوسیله روبش نمونه با دیافراگم معرفی شده و توسط ثبت نحوه توزیع شدت تابش نور بعنوان یک تابع دو بعدی از موقعیت دیافراگمI(x,y) ، شکل می گیرد.
کنتراست تصویر SNOM، بوسیله فرآیند بازتاب، شکست، جذب و پراکنش نور، تعیین می شود و در این راستا به خواص نوری موضعی نمونه وابسته است.

اسلاید 13 :

اجزاء دستگاه
اجزای اصلی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، شامل چشمه نور، سوزن روبش کننده، آشکارساز و بلور پیزوالکتریک در کنار یک کنترل کننده و نرم افزار SPM است.

اسلاید 14 :

چشمه نور
چشمه نور معمولاً یک پرتو لیزر است که بوسیله یک پلاریزر(دو قطبی کننده)، یک شکافنده پرتو و یک جفت کننده (کوپل کننده) فیبر، درون یک فیبر نوری متمرکز می شود.

پلاریزر و شکافنده پرتو برای حذف نورهای متفرقه از نور برگشتی و بازتابی بکار می روند.

ابتدا برای جدا کردن رنگ های ناخواسته از نور، نور لیزر از یک فیلتر عبور داده می شود و سپس به منظور کنترل پلاریزاسیون، نور از ترکیب یک صفحه نیم موج و یک صفحه ربع موج عبور داده می شود. سپس این نور به یک فیبر نوری که انتهای آن سوزن SNOM را تشکیل می دهد، هدایت می گردد. معمولاً سوزن بر یک لوله پیزو که در حین روبش، فاصله نمونه را با سوزن کنترل می کند، سوار است. نور خروجی از سوزن SNOM، باعث برانگیختگی نمونه و تابش فلوئورسانس شده که با استفاده از روزنه یک عدسی شیئی از قسمت زیر جمع می شود. مابقی نور برانگیخته با استفاده از فلیترها حذف شده و سیگنال فلوئورسانس باقی مانده، بوسیله یک آشکارساز از نوع شمارش فوتونی، ثبت می گردد. در نهایت پس از پردازش رایانه ای، تصویر به نمایش در می آید.

اسلاید 15 :

چشمه نور
سوزن SNOM
شمای کلی دستگاه

اسلاید 16 :

پروب دستگاه SNOM
در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، از یک فیبر نوری استفاده می شود که سر آن تیز شده است؛ که به نور اجازه دهد تا تنها از سر آن وارد شده و به آرامی در فاصله نزدیکی از سطح نمونه حرکت نماید.
پروب نوری معمولاً یک فیبر باریک و نوک تیز با پوشش فلزی (آلومینیومی) یا یک پروب توخالی AFM و یا یک میکروپیپت نوک تیز پوشش داده شده با لایه نازک فلزی است.
در نوک این پروب، دریچه ای با اندازه کوچکتر از میکرومتر وجود دارد.

اسلاید 17 :

نمونه ای از مشخصات موجود در SNOMهای رایج

اسلاید 18 :

ساز و کار بازخورد
در تمام مدت روبش، دریچه در فاصله چند نانومتری از سطح قرار می گیرد که معمولاً منجر به تشکیل تصویر با وضوح بالاتر می شود.
بطور کلی، دو نوع سازوکار بازخورد برای برقراری فاصله کاری مناسب پروب از نمونه استفاده می شود:
سازوکار بازخورد نوع اول
روش اول کاملاً شبیه به سامانه بازخورد در AFM است که در آن با استفاده از یک سوزن تیز متصل به تیرک، سطح نمونه روبش می شود. نیروهای درگیر بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف تیرک شده و به کمک انحراف پرتو نور لیزر، نیروهای عمودی درگیر بین سوزن و سطح پایش می شوند.

اسلاید 19 :

ساز و کار بازخورد
سازوکار بازخورد نوع دوم
در روش دوم که معمولاً به عنوان بازخورد نیروی برشی معروف است، از یک تیرک تنظیم کننده استفاده می شود. با اتصال به این تیرک تنظیم کننده، که در بسامد تشدیدش نوسان می کند، می توان همزمان با حرکت سوزن روی سطح نمونه، تغییرات دامنه نوسان را پایش کرد.
در این روش سوزن بصورت جانبی حرکت می کند
ساز و کارهای دیگری مانند: تونل زنی در خلاء، سازوکار ظرفیت، تونل زنی فوتونی و بازتاب میدان نزدیک نیز به این منظور استفاده شده است.
در حال حاضر روش پرکاربرد تنظیم فاصله نمونه با پروب، بر اساس آشکارسازی نیروهای برشی بین انتهای پروب و نمونه، استفاده می شود.

اسلاید 20 :

حالت نیروی برشی در رصد فاصله سوزن- سطح در SNOM
در طول کاربرد SNOM، ضروری است سوزن در فاصله ای حدود 10 نانومتر یا کمتر از سطح نمونه نگهداری شود.
راه حل رایج و مناسب، استفاده
از SNOM در حالت
«نیروی برشی» است.