برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۷/۲۷ تا ۱۳۹۸/۰۸/۰۳

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۵۴۶
  • بازدید این ماه ۱
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۷۲
  • قبول شدگان ۱۲۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۶۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۰
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 دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک- 1

در این مقاله به معرفی یکی دیگر از میکروسکوپ‌های 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 میدان دور و نحوه عملکرد دستگاه در هر دو حالت را می‎طلبد. از این‎رو در کنار معرفی این مفاهیم، نحوه عملکرد دستگاه تبیین شده و حالات کاری مهم در آن به طور خلاصه ذکر می‌شود.

1- مقدمه

میکروسکوپ‌های نوری روبشی میدان نزدیک، زیرمجموعه دیگری از مجموعه بزرگ میکروسکوپ‌های پروبی روبشی هستند که در آن‌ها از یک منبع نوری کوچک با طول موجی کمتر از طول موج نور برای پروب (کاوشگر) روبش‌کننده استفاده می‌شود. در این نوع از میکروسکوپ‌ها، با استفاده از یک فیبر نوری نوک تیز و از طریق بهره‌گیری از روشی که در آن امواج نوری تداخل مخرب ندارند، امکان مطالعه انواع محیط‌ها وجود دارد. پروب در ارتفاعی حدود چند نانومتر بالای سطح نمونه حرکت کرده 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)، به دست می‌آورد [1-3].

 

2- تاریخچه
پس از طرح ایده ادوارد هاتچینسن سینج در سال 1928، درباره وسیله‌ای که با جمع‌آوری پراش در میدان نزدیک، ایجاد تصویر کند، 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 اندازه‎گیری‌های مربوط به اپتیک میدان نزدیک به وسیله دایتر پل، در آزمایشگاه IBM زوریخ سوئیس در سال 1982 میلادی به طور رسمی اعلام شد. نخستین میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک روبشی در سال 1991 توسط اریک بتزیگ و همکارانش در مجله Science، معرفی شد [2,4].

 

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

که n، ضریب شکست ماده دربرگیرنده ذره مورد نظر است. برای طول موج‎های محدوده مرئی، اندازه بحرانی حدود 300-200 نانومتر است.

روش‎ها و حالات معمولی برای ایجاد تصاویر نوری، به علت پراش نوری، با محدودیت‌های ذاتی و اساسی روبه‌رو هستند [2]. بسیاری از پدیده‌های نوری در ابعاد کوچک‎تر از طول موج نور، رفتار غیرمعمولی دارند. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، از تمرکز و بررسی در نواحی بسیار کوچک‎تر از طول موج نور، ممانعت می‎کند. این محدودیت ناشی از برهمکنش امواج الکترومغناطیس و نمونه است که امواج الکترومغناطیس را به دو صورت پراکنده می‎کند:

الف) امواج پیش‎رونده با بسامد فضایی کم (<2λ-1)

ب) امواج پیش‎رونده با بسامد فضایی زیاد (>2λ-1)

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

 

1-3- میدان دور و میدان نزدیک
تشعشع الکترومغناطیسی که توسط یک دوقطبی الکتریکی ایجاد می‎شود، که ماهیت نور هم همین است، در واقع از دو قسمت تشکیل شده است که میدان دور (Far Field) و میدان نزدیک نامیده می‎شوند. در این راستا، روش نوری کلاسیک، به محدوده میدان دور مربوط است که فقط امواج پیش‎رونده باقی می‌مانند، 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، محدوده‎ای از فاصله که کمتر از طول موج نور لازم برای روشن کردن سطح نمونه باشد، میدان نزدیک گفته می‎شود [1,4,5].

 


شکل 1- 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 می‎روند و بنابراین آن دسته از مشخصه‎های نمونه که مربوط به فواصل زیر حد طول موج می‎شود، بازیابی نمی‌شوند [3]. اما در میکروسکوپی میدان نزدیک، این موانع برطرف شده و روش‌های مختلفی برای ایجاد تصویر استفاده می‎شود. این روش‎ها اجازه غلبه بر محدودیت پراش و دستیابی به رزولوشن فضایی تا مرتبه 10 نانومتر را ایجاد کرده است [2].
به دلیل این که انتشار مربوط به میدان نزدیک فقط مربوط به چند نانومتری سطح است، معمولاً مورد توجه قرار نگرفته و به راحتی قابل آشکارسازی نیست. اما در عین حال محدودیت پراش نیز برای انتشار میدان نزدیک نور اعمال نمی‌شود. اساساً میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک از میدان نزدیک استفاده کرده تا بر محدودیت پراش غلبه کند. این کار با قرار دادن آشکارساز یا منبع نور، معمولاً یک فیبر نوری، در نزدیکی سطح نمونه، با فاصله‌ای کمتر از طول موج، انجام می‌شود [4].

 

2-3- 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)، دریچه‌هایی با قطری بسیار کمتر از طول موج تابشی، است.

 


شکل 2- 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، پدیده‌های گوناگونی مشاهده شده است [7,8]. میدان الکترومغناطیسی نزدیک دریچه نیز ساختار پیچیده‎ای دارد، بدین صورت که ناحیه میدان نزدیک دقیقاً در پشت دریچه در محدوده Z<100a واقع شده است که در این حالت میدان الکترومغناطیسی موضعی به طور ناپایدار و میرا (evanescent)، و نه پیش رونده، ایجاد می‌شود. در ناحیه میدان دور (Z>100a)، تنها مدهای تابشی مشاهده می‌شود.

 


چندرسانه‎ای 1: میدان نزدیک در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM)


قدرت تابش پشت این دریچه را، در ناحیه میدان دور، می‌توان با فرمول زیر برآورد کرد:

 

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 دیافراگم‎هایی با دریچه‎ای 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 می‎رسد که استفاده از دریچه‎های کوچک برای دسترسی به محل مناسب ایجاد تصاویر نوری، از نظر عملی ممکن باشد. اما چنانچه ذره مورد بررسی، دقیقاً 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 می‎یابد که شدت آن به وسیله یک آشکارساز نوری، قابل ضبط خواهد بود. بنابراین تصویر میدان نزدیک به وسیله 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، می‌تواند شکل گیرد.

 


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


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

 

4- اجزای دستگاه
اجزای اصلی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، شامل چشمه نور، سوزن روبش‌کننده، آشکارساز و بلور پیزوالکتریک در کنار یک کنترل‌کننده و نرم‌افزار SPM است [3,4].

 


شکل 3- بلوک دیاگرام نمونه‌ای از میکروسکوپ‌های نوری روبشی میدان نزدیک [9]

 

1-4- چشمه نور
چشمه نور معمولاً یک پرتو لیزر است که به وسیله یک پلاریزر polarizer (دو قطبی‌کننده)، یک شکافنده پرتو (Beam splitter) و یک جفت‌کننده (Coupler=کوپل‎کننده) فیبر، درون یک فیبر نوری متمرکز می‌شود. لازم به ذکر است که پلاریزر و شکافنده پرتو برای حذف نورهای متفرقه از نور برگشتی و بازتابی به‌کار می‌روند.
ابتدا برای جدا کردن رنگ‌های ناخواسته از نور، نور لیزر از یک فیلتر عبور داده می‎شود و سپس به منظور کنترل پلاریزاسیون، نور از ترکیب یک صفحه نیم موج و یک صفحه ربع موج عبور داده می‌شود. سپس این نور به یک فیبر نوری که انتهای آن سوزن SNOM را تشکیل می‎دهد، هدایت می‌شود. معمولاً سوزن بر یک لوله پیزو که در حین روبش، فاصله نمونه را با سوزن کنترل می‎کند، 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 می‎شود. مابقی نور برانگیخته با استفاده از فیلترها حذف شده و سیگنال فلوئورسانس باقی مانده، به وسیله یک آشکارساز از نوع شمارش فوتونی، ثبت می‌شود.

 


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


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

 


شکل 4- الف) شمای کلی دستگاه؛ ب)سوزن SNOM ا[10]

 

2-4- پروب دستگاه SNOM
در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، از یک فیبر نوری استفاده می‌شود که سر آن تیز شده است. تیز کردن به صورتی انجام می‌شود که به نور اجازه دهد تا تنها از سر آن وارد شده و به آرامی در فاصله نزدیکی از سطح نمونه حرکت کند [1]. به طور کلی در یک سامانه SNOM، پروب نوری معمولاً یک فیبر باریک و نوک تیز با پوشش فلزی (آلومینیومی) یا یک پروب توخالی AFM یا یک میکروپیپت نوک تیز پوشش داده شده با لایه نازک فلزی است. در نوک این پروب، دریچه‎ای با اندازه کوچک‎تر از میکرومتر وجود دارد (شکل 4- ب)[11].

 


چندرسانه‎ای 4: پروب در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM)


جدول 1- نمونه‌ای از مشخصات موجود در SNOMهای رایج [10]

 

5- سازوکار بازخورد
برای آسان‌تر شدن استفاده از دستگاه میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک و به کار بردن آن برای نمونه‌هایی 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 می‌گیرد که معمولاً منجر به تشکیل تصویر با وضوح بالاتر می‌شود.

 


چندرسانه‎ای 5: سازوکار بازخورد در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM) - طی روبش‎های پیاپی با فاصله معین، بهترین تصویر، تصویری خواهد بود که درست قبل از برخورد نوک پروب با نمونه باشد.


 به طور کلی، دو نوع سازوکار بازخورد برای برقراری فاصله کاری مناسب پروب از نمونه استفاده می‌شود که در زیر بیان می‌شوند:

 

1-5- 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 می‎شود. 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 می‎شوند. با استفاده از روبش سطح به وسیله یک سوزن متصل به تیرک، به کمک انحراف نور، نیروی عمودی وارده به سوزن، پایش می‎شوند [12].

 

2-5- سازوکار بازخورد نوع دوم
در روش دوم که معمولاً به عنوان بازخورد نیروی برشی معروف است، از یک تیرک تنظیم‎کننده استفاده می‎شود. با اتصال به این تیرک تنظیم‌کننده، 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 به صورت جانبی حرکت می‎کند [13].

 


چندرسانه‎ای 6: سازوکار بازخورد برشی در میکروسکوپ نوری میدان نزدیک پیمایشی (SNOM) - یکی از تکنیک‌های 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 است. در این سازوکار، وقتی که نوسان‌کننده به سطح نمونه نزدیک می‌شود، نوسان توسط نیروهای برشی تعدیل می‌شود. 


لازم به ذکر است که سازوکارهای دیگری مانند: تونل‌زنی در خلأ، سازوکار ظرفیت، تونل‌زنی فوتونی و بازتاب میدان نزدیک نیز به این منظور استفاده شده است. به عنوان مثال از تونل‌زنی در خلأ بین یک بخش کوچک فلزی، در انتهایی‎ترین 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 می‌شود. در این سیستم‌ها 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 فاصله‎ای حدود 10 نانومتر یا کمتر از سطح نمونه نگهداری شود. هرچند این کار با تکنیک‌های مختلفی قابل انجام است، اما راه حل رایج و مناسب‎تر، استفاده از SNOM در حالت به اصطلاح «نیروی برشی (Shear-force)» است.

 


شکل 5- 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 (شکل 5)، استفاده می‌کنند.
سوزن SNOM، به یک تشدیدکننده بلور کوارتز چسبیده است. دیاپازون به وسیله ویبراتور (vibrator = لرزانگر) پیزوالکتریک، با فرکانس نزدیک به فرکانس تشدید سیستم رزوناتور کوارتز- سوزن، شروع به نوسان می‎کند. لذا از این طریق سوزن، حرکات ارتعاشی موازی با سطح نمونه انجام می‎دهد. اندازه‎گیری‎های 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 می‌شود. در ابتدا گونه‌ای پراکنش اضافی (additional dissipative)، در برهمکنش سوزن با سطح نمونه، به علت سایش چسبناک (viscous friction)، در لایه‎ای نازک از هوا نزدیک سطح و در لایه‎ای نازک از مولکول‎های جذب شده (adsorbed) روی سطح نمونه، رخ می‌دهد. این پدیده موجب افت کیفی در پارامتر رزونانس (تشدید) و در نتیجه کاهش دامنه نوسان و پهن‎شدگی پیک تشدید و منحنی پاسخ فازی می‌شود [2].

 


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 می‎دهد. حالت نوسانی در فواصل بزرگ، با نوسان میله‎ای با سر آزاد مطابقت دارد؛ در حالی که در فاصله کوچک، یا با سوزنی در تماس با سطح، حالت نوسانی به صورت نوسان میله‎ای با سر درگیر، تغییر می‌کند. این امر باعث افزایش فرکانس تشدید می‌شود؛ به عنوان مثال منحنی فرکانس - دامنه به فرکانس‎های بالاتر تغییر می‎یابد [14, 15]. تغییرات دامنه و فاز نوسانات خمشی در سیستم رزوناتور به عنوان سیگنال‌های بازخورد (feedback)، جهت کنترل فاصله سوزن- نمونه در SNOM، استفاده می‎شوند [2].

 

7- رزولوشن در سیستم دستگاهی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
1-7- 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 می‎شود که معمولاً حدود 50 تا 80 نانومتر است.
رزولوشن میکروسکوپ‎های نوری معمولی، که روشنایی آن‎ها توسط نور معمولی و نه منبع لیزر تأمین می‌شود، با پدیده پراش نور و به صورت رابطه زیر محدود می‌شود:

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 است. در نتیجه معمولاً رزولوشن ضریبی از طول موج یعنی در حدود 0.5 تا 1 میکرومتر است [4]. در عمل معمولاً اندازه نصف طول موج نور، حد وضوح را برای میکروسکوپی نوری تعیین می‌کند.

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

 

2-7- راهکارهای بهبود رزولوشن
برای به دست آوردن وضوح مطلوب در میکروسکوپ SNOM، سطح نمونه به وسیله روزنه‎ای کوچک که در ارتفاع حدود چند نانومتری بالای سطح قرار دارد، روبش می‎شود. در این میکروسکوپ، روزنه فوق در انتهای یک فیبر باریک و نوک تیز قرار دارد که نور لیزر با عبور از آن به سطح می‎رسد [16]. نور گسیل شده از این روزنه به سرعت پراش می‎یابد و تصویر تمامی نقاط روبش شده از سطح نمونه، ثبت می‎شود. 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 میکروسکوپ‎های متداول حاصل می‎شود، قابل ثبت است. برای به دست 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 می‎یابد . 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].
اساساً برای بهبود رزولوشن در میکروسکوپ، راه‌های مختلفی دیگری نیز وجود دارد. می‌توان با قرار دادن محیطی با ضریب شکست بالاتر بین نمونه و عدسی شیئی، معمولاً روغنی با ضریب شکست حدود 1.4، رزولوشن را کمی بهبود بخشید.

راه دیگر، استفاده از پرتویی با طول موج بسیار کوتاه‌تر است. میکروسکوپ UV مثالی از این روش است که برای بهبود رزولوشن، از نور UV برای روشنایی استفاده می‌کند. مثال دیگر میکروسکوپ الکترونی است که از این حقیقت که طول موج الکترون‎ها بسیار کوتاه‌تر از نور است، بهره می‌برد [4].

 

8- حالات کاری دستگاه SNOM
می‌توان میکروسکوپ SNOM را در حالات مختلف به کار برد. شکل 7، حالات کاری مختلف را نشان می‌دهد. در سه حالت اول، روشنایی و آشکارسازی هر دو از یک طرف انجام می‌شود؛ در حالی که در دو حالت آخر، نور از نمونه عبور کرده و روشنایی و آشکارسازی در دو طرف مختلف نمونه انجام می‌گیرد.
شرط لازم برای این دو حالت آخر این است که نمونه از نظر نوری شفاف باشد.
در صورتی که نمونه منبع نور باشد، مثلاً LED، می‎توان روشنایی را حذف و فقط قسمت آشکارساز را استفاده کرد. همچنین می‌توان از SNOM برای لیتوگرافی نوری استفاده کرد که در این حالت قسمت آشکارساز حذف می‌شود. در حالات دیگر، اجزای نوری اضافی بایستی به گونه‌ای تنظیم شوند که قسمت‎های روشنایی یا آشکارسازی دقیقاً روی موقعیت جاری نوک فیبر، متمرکز شوند. در غیر این صورت، شدت نور آن‌قدر ضعیف می‌شود که قابل آشکارسازی توسط فیبر نخواهد بود یا نور جمع‎آوری 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].

 


شکل 7- شکل‌های ممکن و رایج در طراحی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک [2]

 

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

 

نتیجه‌گیری
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 می‌شود. میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک براساس استفاده از میدان نزدیک و غلبه بر محدودیت پراش به کار گرفته شده است. این کار با قرار دادن آشکارساز یا منبع نور (فیبر نوری)، در نزدیکی سطح نمونه و با فاصله‎ای کمتر از طول موج، انجام می‎گیرد. اجزای اصلی این میکروسکوپ‌ها شامل چشمه نور، فیبر نوری، آشکارساز و بلور پیزوالکتریک، کنترل‎کننده و نرم‎افزار SPM است. رزولوشن عملی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، معمولاً حدود 50 تا 80 نانومتر است اما برای به دست آوردن وضوح بالا، بایستی قطر دریچه در ابعاد نانومتر و در فاصله کمتر از 10 نانومتری سطح نمونه قرار گیرد.

در فیلم زیر درباره اجزای 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 .