Kính_hiển_vi quang_học quét trường gần Kính_hiển_vi quang_học quét trường gần near field scanning optical microscope viết tắt là NSOM hoặc SNOM là một kỹ_thuật soi kính_hiển_vi cho_phép nghiên_cứu các cấu_trúc nano với độ_phân_giải vượt qua giới_hạn phân_giải giới_hạn nhiễu xạ diffraction limited system bằng cách ứng_dụng các tính_chất của sóng suy biến evanescent wave Kỹ_thuật này được thực_hiện bằng cách đặt đầu dò rất gần với mẫu khoảng_cách giữa đầu dò và mẫu nhỏ hơn nhiều lần so với bước_sóng λ Nó cho_phép quan_sát bề_mặt mẫu với các độ_phân_giải hình_ảnh cao_độ phân_giải không_gian độ_phân_giải thời_gian và độ_phân_giải bức_xạ Với kỹ_thuật này độ_phân_giải của hình_ảnh bị giới_hạn bởi kích_thước của lỗ dò chứ không phụ_thuộc vào bước_sóng của tia_sáng đầu dò Đặc_biệt có_thể đạt được độ_phân_giải ngang 20nm và độ_phân_giải đứng từ 2 5 nm Lịch_sử Năm 1928 Edward_Hutchinson_Synge đề_cử ý_tưởng của mình về một loại kính_hiển_vi quang_học có khả_năng phân_giải tốt hơn so với các kính truyền_thống bằng các khai_thác các tín_hiệu phù_du tại bề_mặt mẫu_vật Tuy_nhiên thiết_kế sau đó gặp phải khó_khăn do điều_kiện kỹ_thuật chưa cho_phép trong việc điều_chỉnh detector Năm 1956 John_A_O_Keefe cũng gặp phải khó_khăn tương_tự khi nghiên_cứu kỹ_thuật này do khó sử_dụng các khẩu_độ nhỏ các pinholes để quét chùm sáng trên mẫu_vật trong một vùng rất nhỏ và gần bề_mặt J A O Keefe 1956 J Opt_Soc_Am 46 359 Tới năm 1972 Ash và Nicholls vượt qua thuyết giới_hạn nhiễu xạ của Abbe nhờ sử_dụng bức_xạ sóng ngắn với bước_sóng khoảng 3 cm khi đó độ_phân_giải sẽ bằng λo 60 bước_sóng bức_xạ 60 bằng khoảng 0 05 cm hay 5 micromet do bức_xạ thử_nghiệm là sóng dài nên không_thể tạo độ_phân_giải cao cho các ứng_dụng chụp hiển vi E A Ash and G Nicholls 1972 Super resolution Aperture_Scanning_Microscope_Nature 237 5357 510 doi 10 1038 237510a0 PMID 12635200 Một thập_kỷ sau đó Pohl đã đưa ý_tưởng về một dạng quang_học trường gần và vào năm 1984 2 năm sau bức_xạ nhìn thấy ánh_sáng khả_kiến đã được sử_dụng để phát_triển kính_hiển_vi quang_học quét trường gần sơ_khai gọi tắt là kỹ_thuật NFO near field optics Các thí_nghiệm liên_tiếp vào năm 1986 sau đó đã chứng_minh rằng kính_hiển_vi quang_học quét trường gần có khả_năng phân_giải tốt hơn nhiều kính_hiển_vi quang_học truyền_thống vào_khoảng 50 nm E Betzig_A_Lewis_A Harootunian_M_Isaacson and E Kratschmer 1986 Near_Field_Scanning_Optical Microscopy_NSOM_Biophys_J 49 269 Ngày_nay kính_hiển_vi quang_học quét trường gần đã được thương_mại_hoá và trở_nên hiện_đại hơn cùng độ_phân_giải ngày_càng tăng lên Nguyên_lý hoạt_động Về bản_chất dù được gọi là kính_hiển_vi quang_học nhưng thực_tế NSOM có quan_hệ gần hơn với các loại kính_hiển_vi quét đầu dò SPM scanning probe microscope Có hai dạng chính ở thời_điểm hiện_tại mũi dò sợi quang_học và mũi dò kim_loại Y Oshikane et al 2007 Observation of nanostructure by scanning near field optical microscope with small sphere probe free pdf Sci_Technol_Adv_Mater 8 3 181 doi 10 1016 j stam 2007 02 013 Ở dạng thứ nhất mũi dò được sử_dụng là một sợi cáp_quang học được chế_tạo với lõi bạc hoặc nhôm để tập_trung ánh_sáng qua lỗ khẩu_độ có kích_thước khoảng 25 đến 100 nm nhỏ hơn bước_sóng bức_xạ Mũi dò này được quét rất gần với bề_mặt mẫu_vật ở khoảng_cách d d nhỏ hơn bước_sóng bức_xạ Để tạo ra bước quét tinh_tế nhằm tăng độ_phân_giải của hình_ảnh mũi dò được gắn vào một bộ quét áp_điện quét bằng tín_hiệu điện trực_tiếp thu được từ máy đo lực hay detector Sự quét này dấn đến hai khả_năng ánh_sáng truyền qua và sóng phù_du được ghi lại bởi một vật_kính có khẩu_độ lớn và một detector trường xa lực tương_tác giữa mũi dò và bề_mặt mẫu được đo bởi một máy đo lực gắn với mũi dò Đôi_lúc ánh_sáng được chiếu từ môi_trường ngoài để phản_chiếu vào mũi dò hoặc sử_dụng những phương_pháp khác để ghi lại ánh_sáng thứ cấp và sóng phù_du Ở dạng thứ hai mũi dò bằng kim_loại có khả_năng thu nhỏ khẩu_độ tới dưới 50 nm đồng_thời giảm khoảng_cách d từ mũi dò tới mẫu_vật G Kaupp 2006 Atomic_Force_Microscopy_Scanning Nearfield_Optical_Microscopy and Nanoscratching_Application to Rough and Natural_Surfaces_Heidelberg_Springer ISBN 3 540 28405 2 Ánh_sáng ghi lại sẽ cho hình_ảnh 3 chiều của bề_mặt mẫu_vật với độ_phân_giải cao Nguyên_lý cơ_bản của NSOM là lợi_dụng sóng suy biến để tái_tạo hình_ảnh Sóng suy biến evanescent waves là một sóng trường gần được tạo ra do sự kích_thích của ánh_sáng lên bề_mặt giữa một_mặt kim_loại liền với một mặt lưỡng_cực điện thường là không_khí hoặc kính khi ánh_sáng chiếu tới có góc nhỏ hơn hoặc bằng 41 8 độ góc tiêu_cực bởi nguyên_lý phản_xạ toàn_phần total internal reflection Sóng suy biến cũng được tạo ra khi chiếu ánh_sáng vào một vật nguyên_tử phân_tử hoặc cấu_trúc hoặc một khẩu_độ có kích_thước đường_kính nhỏ hơn bước_sóng ánh_sáng Theo vật_lý_cổ_điển điều này là không_thể vì cho rằng ánh_sáng hoặc bức_xạ điện từ nói_chung không_thể đi qua một khẩu_độ nhỏ hơn bước_sóng của bức_xạ Tuy_nhiên vật_lý lượng_tử cho thấy điều này hoàn_toàn có_thể nếu bề_mặt kim_loại có tần_số dao_động của điện_tử trùng với tần_số của bức_xạ chiếu tới nó Những điện_tử sẽ lấy năng_lượng của những photon ánh_sáng này và mang chúng sang mặt bên kia phát thành photon mới có cùng bước_sóng và tần_số với photon ban_đầu Đây là nguyên_lý cơ_bản của các kính_hiển_vi quang_học quét trường gần nhằm tạo ra chùm sáng có kích_thước nhỏ hơn giới_hạn nhiễu xạ cho_phép hội_tụ kích_thước chùm sáng xuống tới 10 nm hoặc nhỏ hơn so với giới_hạn nhiễu xạ đưa ra bởi Ernst_Abbe tức vào_khoảng 200 nm Do_đó độ_phân_giải của thiết_bị được tăng lên đáng_kể Toàn_bộ hệ_thống thu_nhận của kính_hiển_vi quang_học quét trường gần được đặt rất gần với mẫu_vật do sóng suy biến sẽ suy_giảm them cấp luỹ_thừa so với khoảng_cách sóng suy biến chỉ tồn_tại được tối_đa tới 200 nm khỏi bề_mặt của mẫu_vật nhưng cường_độ tối_đa của nó đủ để các thiết_bị đo có_thể thu được chỉ tồn_tại ở khoảng_cách 10 15 nm khỏi mẫu_vật Do_đó mũi dò dùng để chiếu sáng và thu tín_hiệu được đặt ở khoảng_cách rất gần với mẫu_vật nhằm tận_dụng tối_đa sóng suy biến để tạo ảnh Đôi_lúc mũi dò chỉ dùng để chiếu sáng mẫu_vật còn việc thu ảnh được thực_hiện bằng cánh dùng thấu_kính thuỷ_tinh vật_kính có chỉ_số khẩu_độ lớn và có_thể dùng dầu để ghi ảnh Ưu_Nhược_điểm của NSOM và ứng_dụng BULLET Kính_hiển_vi quang_học quét trường gần có khả_năng ghi ảnh với độ_phân_giải rất cao có_thể lên tới 20 50 nm theo chiều ngang_dọc x y và khoảng 2 5 nm theo chiều thẳng_đứng z Do_đó NSOM khá hữu_dụng trong nghiên_cứu chiều cao của các chi_tiết điện_tử đặc_biệt quan_trọng trong công_nghiệp bán_dẫn mà mẫu_vật yêu_cầu được bảo_tồn kính_hiển_vi điện_tử TEM thường yêu_cầu phá vỡ vật_liệu để tạo chi_tiết mỏng Hơn_nữa độ_phân_giải này thoát khỏi sự hạn_chế do giới_hạn nhiễu xạ gây ra ở các kính trường xa do_đó chỉ phụ_thuộc vào kích_thước khẩu_độ và bước quét của mũi dò BULLET Về mặt bản_chất kính_hiển_vi NSOM SNOM thực_chất giống với kính_hiển_vi quang_học thông_thường không yêu_cầu phá_huỷ mẫu_vật hay môi_trường chân không như kính_hiển_vi điện_tử hoặc có dòng_điện truyền qua mẫu như kính STM nên khá phù_hợp với các mẫu_vật sinh_học BULLET Khả_năng ghi lại các phổ phổ lực phổ Raman với độ_chính_xác cao BULLET Có khả_năng ghi ảnh topo topography của bề_mặt mẫu nhằm phân_biệt sự phân_bố các thành_tố của mẫu_vật BULLET Bị giới_hạn nghiên_cứu bề_mặt của mẫu_vật BULLET Ánh_sáng phát ra ở mũi dò thường rất yếu do mũi dò nhỏ đồng_thời bước quét rất ngắn nên tốc_độ ghi ảnh của NSOM cực chậm gây ra hạn_chế cho các kiểu quay hình động có_thể tới vài chục phút để có một bức ảnh chất_lượng tốt Sự phát_triển các ăng ten quang_học nano nantenna đang hứa_hẹn bổ_sung cho điểm yếu này BULLET Giá_thành của NSOM còn nằm ở mức cao NSOM có ứng_dụng rất lớn trong các ứng_dụng sinh_học bán_dẫn nhưng chưa phổ_biến như các loại kính_hiển_vi quang_học thông_thường do giá_thành cao và điều_khiển phức_tạp
Kính_hiển_vi quang_học quét trường gần