برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۱۹ تا ۱۳۹۷/۰۸/۲۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۲,۵۴۲
  • بازدید این ماه ۱۸۰
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۱۱
  • قبول شدگان ۴۳۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۹۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک (1)

در این مقاله به معرفی یکی دیگر از میکروسکوپ های پروبی روبشی، به نام میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، پرداخته خواهد شد. اصول حاکم بر این میکروسکوپ مبنای اپتیکی داشته و لزوم آشنایی با مفاهیمی چون میدان نزدیک و دور؛ و نحوه عملکرد دستگاه در هر دو حالت را می طلبد. از این رو در کنار معرفی این مفاهیم، نحوه عملکرد دستگاه تبیین شده و حالات کاری مهم در آن بطور خلاصه ذکر می گردد.
1- مقدمه
میکروسکوپ های نوری روبشی میدان نزدیک، زیر مجموعه دیگری از مجموعه بزرگ میکروسکوپ های پروبی روبشی هستند که در آنها از یک منبع نوری کوچک با طول موجی کمتر از طول موج نور برای پروب (کاوشگر) روبش کننده استفاده می شود. در این نوع از میکروسکوپ ها، 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 (sub wavelength) نور مرئی، در محدوده میدان نزدیک (Near-Field)، تصاویری با رزولوشن (قدرت تفکیک) بسیار بالاتر از حد پراش (diffraction limit)، بدست می آورد [1-3].

2- 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 [2, 4].

3- اصول عملکرد اپتیکی
یکی از قوانین پایه فیزیک نور (اپتیک)، وجود حد پراش است که حداقل اندازه ذره ای (R) را برای اینکه بتواند بوسیله یک سیستم نوری با استفاده از نوری با طول موج λ ، تصویر شود، به صورت زیر تعریف می شود:

filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc
که n، ضریب شکست ماده دربرگیرنده ذره مورد نظر است. برای طول موج های محدوده مرئی، اندازه بحرانی حدود 300-200 نانومتر است.

روش ها و حالات معمولی برای ایجاد تصاویر نوری، به علت پراش نوری، با محدودیت های ذاتی و اساسی روبرو هستند [2]. بسیاری از پدیده های نوری در ابعاد کوچکتر از طول موج نور، رفتار غیر معمولی دارند. 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 که امواج الکترومغناطیس را به دو صورت پراکنده می کند:

الف) امواج پیش رونده با بسامد فصایی کم (<2λ-1)

ب) امواج پیش رونده با بسامد فصایی کم (>2λ-1)


محدود کردن نور به فضایی کوچکتر از λ/2 (نصف طول موج نور که همان حد پراش است)، با استفاده از عدسی های متداول ممکن نیست [3].

3-1- میدان دور و میدان نزدیک
تشعشع الکترومغناطیسی که توسط یک دوقطبی الکتریکی ایجاد می شود، که ماهیت نور هم همین است، در واقع از دو قسمت تشکیل شده است که میدان دور (Far Field) و میدان نزدیک نامیده می شوند. در این راستا، روش نوری کلاسیک، به محدوده میدان دور مربوط است که فقط امواج پیش رونده باقی می مانند، در حالی که امواج ناپایدار و میرا، مربوط به ناحیه میدان نزدیک، در فاصله کمتر از طول موج نسبت به نمونه، هستند. به عبارت دیگر 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 [1, 4, 5].

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل1- میدان نزدیک و میدان دور در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک[6]

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 آن دسته از مشخصه های نمونه که مربوط به فواصل زیر حد طول موج می شود، بازیابی نمی گردند [3]. اما در میکروسکوپی میدان نزدیک، این موانع برطرف شده و روش های مختلفی برای ایجاد تصویر استفاده می شود. این روش ها اجازه غلبه بر محدودیت پراش و دستیابی به رزولوشن فضایی تا مرتبه 10 نانومتر را ایجاد کرده است [2].
به دلیل اینکه انتشار مربوط به میدان نزدیک فقط مربوط به چند نانومتری سطح است، معمولا مورد توجه قرار نگرفته و براحتی قابل آشکارسازی نیست. اما در عین حال محدودیت پراش نیز برای انتشار میدان نزدیک نور اعمال نمی شود. اساسا 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، معمولا یک فیبر نوری، در نزدیکی سطح نمونه، با فاصله ای کمتر از طول موج، انجام می گردد [4].

3-2- 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 (sub wavelength) ، دریچه هایی با قطری بسیار کمتر از طول موج تابشی، است.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل2- 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 [2]

در طی عبور نور از میان یک دریچه با اندازه کوچکتر از طول موج نور، پدیده های گوناگونی مشاهده شده است [7, 8]. میدان الکترومغناطیسی نزدیک دریچه نیز ساختار پیچیده ای دارد، بدین صورت که ناحیه میدان نزدیک دقیقا در پشت دریچه در محدوده Z<100a واقع شده است که در این حالت میدان الکترومغناطیسی موضعی بطور ناپایدار و میرا (evanescent)، و نه پیش رونده، ایجاد می شود. در ناحیه میدان دور (Z>100a)، تنها مدهای تابشی مشاهده می گردد.

عنوان : میدان نزدیک در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)

توضیحات : میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM) روشی است که در آن از منبع نوری با طول موج کمتر از طول موج نور برای روبش استفاده می شود. به بخش تشعشعی میدان الکترومغناطیس که در فاصله کمتر از طول موج لازم برای روشن کردن سطح نمونه می باشد، میدان نزدیک گفته می شود و از نوع امواج ناپایدار و میرا می باشد. این ناحیه درست در فاصله چند نانومتری، پشت دریچه دیافراگم قرار دارد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 1:میدان نزدیک در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM)

قدرت تابش پشت یک این دریچه ، در ناحیه میدان دور، میتوان با فرمول زیر برآورد کرد:
filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671
در این رابطه k بردار موج و W0 دانسیته توان تابشی است.
برآوردها حاکی از آن است که برای تابشی با طول موج مرتبه 500 نانومتر و دیافراگم هایی با دریچه ای حدود 5 نانومتر، توان تابشی در ناحیه میدان دور به توان ده برابر کمتر از توان تابشی مشخصه است. بنابراین در اولین نگاه به نظر می رسد که استفاده از دریچه های کوچک برای دسترسی به محل مناسب ایجاد تصاویر نوری، از نظر عملی ممکن باشد. اما چنانچه ذره مورد بررسی، دقیقا پشت یک دریچه در ناحیه میدان نزدیک واقع شده باشد، به علت 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 و ضبط نحوه توزیع شدت تابش نور به عنوان یک تابع دو بعدی از موقعیت دیافراگم (I(x,y، می تواند شکل گیرد.

عنوان : ضبط میدان نزدیک در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)

توضیحات : یکی از کاربردهای میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)، ضبط میدان نزدیک می باشد که در آن طی برهمکنش امواج میرا و ناپایدار میدان نزدیک با سطح نمونه، انرژی الکترومغناطیسی بین دو فرم یک ماده شیمیایی انتقال می یابد(فتوکرومیزم). سپس شدت آن توسط آشکارساز نوری ضبط می شود که از این طریق می تواند آرایش ملکولی سطح، نوشته یا خوانده و یا اصلاح گردد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 2 : ضبط میدان نزدیک در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM)

کنتراست تصویر SNOM، بوسیله فرآیند بازتاب (reflection)، شکست (refraction)، جذب (absorption) و پراکنش نور (dispersion of light)، تعیین می شود و در این راستا به خواص نوری موضعی نمونه وابسته است [2].

4- 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 [3, 4].

filereader.php?p1=main_bd11537f1bc31e334
شکل3-بلوک دیاگرام نمونه ای از میکروسکوپهای نوری روبشی میدان نزدیک [9]

4-1- چشمه نور
چشمه نور معمولا یک پرتو لیزر است که بوسیله یک پلاریزر polarizer (دو قطبی کننده)، یک شکافنده پرتو (Beam splitter) و یک جفت کننده (Coupler =کوپل کننده) فیبر، درون یک فیبر نوری متمرکز می شود. لازم به ذکر است که 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. معمولا 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.

عنوان : چشمه نور در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)

توضیحات : درمیکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)، نوک روبشگر توسط یک چشمه نور(معمولا لیزر) با فرکانس مشخص تحریک می شود که نتیجه آن، خروج نور از پروب SNOM بصورت تابش فلوئورسانس و برانگیختگی نمونه است. سیگنال فلوئورسانس پس از فیلتر شدن توسط آشکارساز ثبت شده و نور توسط عدسی شیئی در زیر نمونه، جمع می شود.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 3:چشمه نور در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM)

در نهایت پس از پردازش رایانه ای، تصویر به نمایش در می آید. شمای کلی دستگاه SNOM، در شکل 3 و 4، نشان داده شده است [3].

filereader.php?p1=main_905ad4f16a809a8f8
شکل4- الف) شمای کلی دستگاه؛ ب)سوزن SNOM ا[10]

4-2- پروب دستگاه SNOM
در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، از یک فیبر نوری استفاده می شود که سر آن تیز شده است. تیز کردن به صورتی انجام می شود که به نور اجازه دهد تا تنها از سر آن وارد شده و به آرامی در فاصله نزدیکی از سطخ نمونه حرکت نماید [1]. بطور کلی در یک سامانه SNOM، پروب نوری معمولا 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 (شکل4- ب)[11].

عنوان : پروب در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)

توضیحات : پروب میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)، معمولا فیبر نازک و نوک تیزی است که به نور اجازه می دهد تا از سر آن وارد شده و در نزدیکی سطح نمونه حرکت کند. تکنیک های دستگاه SNOM، به ماهیت نوک پروب بستگی دارد که معمولا فیبر نوری با پوشش آلومینیومی می باشد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای4 :پروب در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)

جدول1- نمونه ای از مشخصات موجود در SNOMهای رایج [10]
filereader.php?p1=main_ce499dea30cfce118

5- ساز و کار بازخورد
برای آسانتر شدن استفاده از دستگاه میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، و به کار بردن آن برای نمونه هایی با توپوگرافی معمولی، بهتر است که از سازوکارهای بازخوردی استفاده شود. در این صورت در تمام مدت روبش، دریچه در فاصله چند نانومتری از سطح قرار می گیرد که معمولا منجر به تشکیل تصویر با وضوح بالاتر می شود.

عنوان : سازوکار بازخورد در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)

توضیحات : جهت آسان تر شدن کنترل فاصله بحرانی نمونه و پروب در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)، از تکنیک های سازو کار بازخورد استفاده می شود که در آن، فاصله پروب و نمونه در هر روبش ثابت است. طی روبش های پیاپی با فاصله معین، بهترین تصویر تصویری خواهد بود که درست قبل از برخورد نوک پروب با نمونه باشد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای5 : سازوکار بازخورد در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM)

 به طور کلی، دو نوع سازوکاربازخورد برای برقراری فاصله کاری مناسب پروب از نمونه استفاده می شود که در زیر بیان می گردند:

5-1- ساز و کار بازخورد نوع اول
روش اول کاملا 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 درگیر بین سوزن و سطح پایش می شوند. با استفاده از روبش سطح بوسیله یک سوزن متصل به تیرک، به کمک انحراف نور، نیروی عمودی وارده به سوزن، پایش می شوند [12].

5-2- ساز و کار بازخورد نوع دوم
در روش دوم که معمولا 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 میکند، می توان همزمان با حرکت سوزن روی سطح نمونه، تغییرات دامنه نوسان را پایش کرد. در این روش سوزن بصورت جانبی حرکت می کند [13].

عنوان : سازوکار بازخورد برشی در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)

توضیحات : یکی از تکنیک های بازخورد در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)، سازوکار بازخورد برشی است که در آن تنظیم فاصله نوک پروب و سطح نمونه براساس تعدیل کردن نوسانات جانبی نوک پروب می باشد. در این سازوکار، وقتی که نوسان کننده به سطح نمونه نزدیک می شود، نوسان توسط نیروهای برشی تعدیل می گردد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 6 : سازوکار بازخورد برشی در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM)

لازم به ذکر است که 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.

عنوان : سازوکار بازخورد برشی در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)

توضیحات : یکی از تکنیک های بازخورد در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی(SNOM)، سازوکار بازخورد برشی است که در آن تنظیم فاصله نوک پروب و سطح نمونه براساس تعدیل کردن نوسانات جانبی نوک پروب می باشد. در این سازوکار، وقتی که نوسان کننده به سطح نمونه نزدیک می شود، نوسان توسط نیروهای برشی تعدیل می گردد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 7 : سازوکار بازخورد میدان نزدیک در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM)

به عنوان مثال از تونل زنی در خلاء بین یک بخش کوچک فلزی، در انتهایی ترین قسمت جلویی دریچه، و نمونه به عنوان یک سازوکار خودکار برای قرار دادن پروب نوری نزدیک سطح نمونه، بدون تماس با آن، استفاده شده است.
در حال حاضر نیز روش پرکاربرد تنظیم فاصله نمونه با پروب، بر اساس آشکارسازی نیروهای برشی بین انتهای پروب و نمونه، استفاده می شود. در این سیستم ها امکان ثبت نیروی روبشی به تنهایی و یا همزمان با تصویرگیری میدان نزدیک فراهم شده است [3].

6- 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. هرچند این کار با تکنیک های مختلفی قابل انجام است، اما راه حل رایج و مناسب تر، استفاده از SNOM در حالت به اصطلاح «نیروی برشی (Shear-force)» است.

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل5- شماتیک حالت نیروی برشی در فاصله سوزن- سطح و سوار بودن پروب بر یک دیاپازون [2]

اکثر مدهای نیروی برشی، از یک مبدل پیزوالکتریک جهت تحریک دیاپازون (tuning fork)، رزوناتور (resonator) یا تشدید کننده (شکل5)، استفاده می کنند.
سوزن SNOM، به یک تشدید کننده بلور کوارتز چسبیده است. دیاپازون بوسیله ویبراتور (vibrator = لرزانگر) پیزوالکتریک، با فرکانس نزدیک به فرکانس تشدید سیستم رزوناتور کوارتز- سوزن، شروع به نوسان می کند. لذا از این طریق سوزن حرکات ارتعاشی موازی با سطح نمونه انجام می دهد. اندازه گیری های نیروی برهمکنش سوزن- سطح نمونه، توسط تغییرات دامنه و فاز و با توجه به ولتاژ محرک U(t) اعمالی به الکترودهای پیزو انجام می‌شود.
در هنگام نزدیک شدن سوزن به سطح نمونه اثرات متعددی مشاهده می شود. در ابتدا گونه ای پراکنش اضافی (additional dissipative)، در برهمکنش سوزن با سطح نمونه، به علت سایش چسبناک (viscous friction)، در لایه ای نازک از هوا نزدیک سطح و در لایه ای نازک از مولکول های جذب شده (adsorbed) روی سطح نمونه، رخ می دهد. این پدیده موجب افت کیفی در پارامتر رزونانس (تشدید) و درنتیجه کاهش دامنه نوسان و پهن شدگی پیک تشدید و منحنی پاسخ فازی می گردد [2].

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل 6- نیروهای پراکنش اثرگذار بر سوزن و ایجاد تغییراتی در حالت نوسانی سوزن نزدیک سطح نمونه [2]

سپس در مرحله دوم، تغییری در حالت نوسانی و در فاصله کم سوزن- سطح رخ می دهد. حالت نوسانی در فواصل بزرگ، با نوسان میله ای با سر آزاد مطابقت دارد؛ در حالی که در فاصله کوچک، یا با سوزنی در تماس با سطح، حالت نوسانی بصورت نوسان میله ای با سر درگیر، تغییر می کند. این امر باعث افزایش فرکانس تشدید می گردد؛ به عنوان مثال منحنی فرکانس - دامنه به فرکانس های بالاتر تغییر می یابد [14, 15]. تغییرات دامنه و فاز نوسانات خمشی در سیستم رزوناتور به عنوان سیگنال های بازخورد (feedback)، جهت کنترل فاصله سوزن- نمونه در SNOM، استفاده می شوند [2].

7- رزولوشن در سیستم دستگاهی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
7-1- تئوری مطرح
از نظر تئوری، رزولوشن نوری یک میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک نامحدود است لیکن از لحاظ عملی، رزولوشن با اندازه دریچه فیبر محدود می شود که معمولا حدود 50 تا 80 نانومتر است.
رزولوشن میکروسکوپ های نوری معمولی، که روشنایی آنها توسط نور معمولی و نه منبع لیزر تأمین می شود، با پدیده پراش نور و بصورت رابطه زیر محدود می شود:
filereader.php?p1=main_5c108ce0fe89d0632

در این رابطه y ، حداقل فاصله بین دو نقطه قابل تشخیص از یکدیگر، λ ، طول موج نور مورد استفاده برای روشنایی و An=nSinσ  ضریب دریچه (Numerical aperture) عدسی شیئی میکروسکوپ است. همچنین، ضریب شکست محیط بین عدسی شیئی و نمونه، نصف زاویه دید دریچه از نقطه قرارگیری نمونه می‌باشد. در نتیجه معمولا رزولوشن ضریبی از طول موج یعنی در حدود 0.5 تا 1 میکرومتر است [4]. در عمل معمولا اندازه نصف طول موج نور، حد وضوح را برای میکروسکوپی نوری تعیین می کند.

در روش میدان نزدیک با استفاده از چشمه نور شبه نقطه ای با قطری بسیار کوچکتر از طول موج نور، می توان به وضوحی بهتر از حد پراش دست یافت، اما لازم است که پروب به اندازه کافی، در فاصله ای کمتر از طول موج نور، به سطح نزدیک باشد [3].

7-2- راهکارهای بهبود رزولوشن
برای بدست آوردن وضوح مطلوب در میکروسکوپ SNOM، سطح نمونه بوسیله روزنه ای کوچک که در ارتفاع حدود چند نانومتری بالای سطح قرار دارد، روبش می شود. در این میکروسکوپ، روزنه فوق در انتهای یک فیبر باریک و نوک تیز قرار دارد که نور لیزر با عبور از آن به سطح می رسد [16]. نور گسیل شده از این روزنه به سرعت پراش می یابد و تصویر تمامی نقاط روبش شده از سطح نمونه، ثبت می شود. هنگامی که فاصله بین سطح نمونه و روزنه به اندازه کسر کوچکی از اندازه روزنه باشد، وضوح تصویر به طول موج نور مرتبط نیست و به اندازه روزنه بستگی دارد. با این روش وضوحی خیلی بیشتر از آنچه که با میکروسکوپ های متداول حاصل می شود، قابل ثبت است. برای بدست آوردن وضوح بالا، برای مثال از مرتبه 25nm، حدود λ/20 ، قطر دریچه باید در ابعاد نانومتر باشد و در فاصله کمتر از 10 نانومتری سطح نمونه قرار گیرد. زیرا با افزایش فاصله (s)، از دریچه، امواج میرا به سرعت مستهلک شده و شدت میدان (I)، به نسبت عکس توان چهارم فاصله کاهش می یابد filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6 . این رابطه که در محدوده میدان نزدیک معتبر است، متفاوت از رفتار موج در میدان دور است که در آن شدت میدان با توان دوم فاصله نسبت عکس دارد [3].
اساسا برای بهبود رزولوشن در میکروسکوپ، راه های مختلفی دیگری نیز وجود دارد. می توان با قراردادن محیطی با ضریب شکست بالاتر بین نمونه و عدسی شیئی، معمولا روغنی با ضریب شکست حدود 1.4، رزولوشن را کمی بهبود بخشید.

راه دیگر، استفاده از پرتویی با طول موج بسیار کوتاه تر است. میکروسکوپ UV مثالی از این روش است که برای بهبود رزولوشن، از نور UV برای روشنایی استفاده می کند. مثال دیگر میکروسکوپ الکترونی است که از این حقیقت که طول موج الکترون ها بسیار کوتاهتر از نور است، بهره می برد [4].

8- حالات کاری دستگاه SNOM
می توان میکروسکوپ SNOM را در حالات مختلف به کار برد. شکل 7، حالات کاری مختلف را نشان می دهد. در سه حالت اول، روشنایی و آشکارسازی هر دو از یک طرف انجام می شود؛ در حالی که در دو حالت آخر، نور از نمونه عبور کرده و روشنایی و آشکارسازی در دو طرف مختلف نمونه انجام می گیرد.
شرط لازم برای این دو حالت آخر این است که نمونه از نظر نوری شفاف باشد.
در صورتی که نمونه منبع نور باشد، مثلا LED، می توان روشنایی را حذف و فقط قسمت آشکارساز را استفاده نمود. همچنین می توان از SNOM برای لیتوگرافی نوری استفاده کرد که در این حالت قسمت آشکارساز حذف می شود. در حالات دیگر، اجزاء نوری اضافی بایستی به گونه ای تنظیم شوند که قسمت های روشنایی یا آشکارسازی دقیقا روی موقعیت جاری نوک فیبر، متمرکز شوند. در غیراین صورت، شدت نور آنقدر ضعیف می گردد که قابل آشکارسازی توسط فیبر نخواهد بود و یا نور جمع آوری شده توسط آشکارساز خارجی بیش از حد کم خواهد بود. از آنجا که نوک فیبر خیلی کوچک است، این تنظیم باید به کمک یک میکروسکوپ نوری اضافی، انجام شود [4].

filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0
شکل7- شکل های ممکن و رایج در طراحی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک [2]

به منظور افزایش حساسیت دستگاه، پرتو بازتاب شده یا عبور یافته از نمونه، بوسیله یک آینه یا لنز برروی یک آشکارساز نوری متمرکز می شود. این شکل SNOM، به طور گسترده ای در لیتوگرافی نوری میدان نزدیک استفاده می شود. همچنین هنگامی که مقادیر بالایی از پمپاژ نوری نیاز است، به طور مثال جهت مطالعه خواص غیرخطی موضعی، طراحی و پیکربندی متفاوتی استفاده می شود که تابش لیزری قدرتمندی به نمونه مستقیما تابانده شود و تابش، بازتابی یا عبوری، توسط یک سوزن میدان نزدیک، جمع آوری گردد [2].

نتیجه گیری
تشعشع الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط دوقطبی الکتریکی از دو قسمت میدان دور و میدان نزدیک تشکیل شده است. روش نوری کلاسیک، به محدوده میدان دور مربوط است. به قسمت تشعشعی میدان الکترومغناطیس نزدیک به منبع انتشار نور(محدوده فاصله کمتر از طول موج نور لازم برای روشن کردن سطح نمونه)، میدان نزدیک گفته می شود. میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک براساس استفاده از میدان نزدیک و غلبه بر محدودیت پراش بکار گرفته شده است. این کار با قرار دادن آشکارساز یا منبع نور(فیبر نوری)، در نزدیکی سطح نمونه و با فاصله ای کمتر از طول موج، انجام می گیرد. اجزای اصلی این میکروسکوپ ها شامل چشمه نور، فیبر نوری، آشکارساز و بلور پیزوالکتریک، کنترل کننده و نرم افزار SPM است. رزولوشن عملی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، معمولا حدود 50 تا 80 نانومتر است اما برای بدست آوردن وضوح بالا، بایستی قطر دریچه در ابعاد نانومتر و در فاصله کمتر از 10 نانومتری سطح نمونه قرار گیرد.

در فیلم زیر درباره اجزا میکروسکوپ روبشی میدان نزدیک، نحوه کار دستگاه، و پروب این میکروسکوپ توضیحاتی ارائه شده است.



منابـــع و مراجــــع

1. علی شکوه فر،کسری مؤمنی، "مقدمه ای بر نانوتکنولوژی"، نشرگستر، چاپ اول، 1384.

2. V. L. Mironov ,"Fundamentals of scanning probe microscopy", (2004(

3. صدیقه صادق حسنی، مریم حاتمی مصلح آبادی، مجتبی نسب، "روش میکروسکوپی نوری روبشی میدان نزدیک در مطالعه نانومواد"، ماهنامه فناوری نانو، شماره 10، دی 89.

4. علیرضا ذوالفقاری، محمد الماسی، پیروز مرعشی، مهرداد نجبا، امید سیفی، "میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن"، تهران، پیک نور، (1385).

5. E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz, "Scanning Probe Microscopy The Lab on a Tip", USA, Springer, (2003).

6. M.A. Herman, Scanning near field optical microscopy,Opto-Electr.Rev,5,no. 4,1997

7. recording with resolution D.W.Pohl, W.Denk, M.Lanz – "Optical spectroscopy: image λ/20", Appl. Phys. Lett., vol. 44, p. 651 – 653 (1984).

8. U.Durig, D.W.Pohl, F.Rohrer, "Near-field optical-scanning microscopy", J.Appl. Phys. vol. 59, # 10, 3318-3327, 1986.

9. Introduction to NSOM. The Optics Laboratory, North Carolina State University. 12 Oct 2007.

10. http://physics.nist.gov.

11. G. KauppAtomic, "Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Nano scratching: Application to Rough and Natural Surfaces". Heidelberg: Springer. ISBN 3540284052, (2006).

12. http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/nearfield/nearfieldintro.html

13. Robert C. Dunn, Chem. Rev, "Near-Field Scanning Optical Microscopy", 1999, 99, 2891-2927.

14. P.K.Wei, W.S.Fann, "The probe dynamics under shear force in near-field scanning optical microscopy". // J. Appl. Phys., vol. 83, # 7, p. 3461 – 3468 (1998).

15. D.G.Volgunov, A.V.Buryukov, S.V.Gaponov, V.L.Mironov, "Probe - surface interaction in the piezo-resonator "shear force" microscope".Physics of Low – Dimensional, Structures, 3/4, p. 17-23 (2001).

16. J. A. DeAro, Kenneth D. Weston and Steven K. Buratto, Near-Field Scanning Optical Microscopy of Nanostructures, Department of Chemistry, University of California, Santa Barbara, CA 93106-9510 .