Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István 10. SNOM TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

10. SNOM Elmélet – Közeli tér optika – A SNOM felépítés – Alkalmazási lehetőségek Gyakorlat – Kombinált képi információk feldolgozása Segédanyagok

Közeli tér optika

SNOM jelentősége Az STM elektromos áramot az AFM erőt mér, egyik sem kapcsolódik a fényre adott válaszhoz közvetlenül A fény-anyag kölcsönhatás alapvető fontosságú – Abszorpció – lumineszcencia – Fény indukált elektronátadás (fotoeffektus) – Biológiai rendszerek

Alapelvek Abbé kritérium d > λ / (2sinθ) Newton gyűrűk lyuk kamera Pásztázó közelitér lyuk kamera

Történeti áttekintés 1928/1929 Synge: Lyuk optika használata a mikroszkóp leképezési határának kiterjesztésére: (fémlap, üvegszál fém bevonattal, piezó pásztázás) (Einstennel diszkutálja az elképzeléseit) [E.H. Synge, "A suggested method for extending the microscopic resolution into the ultramicroscopic region" Phil. Mag. 6, 356 (1928); E.H. Synge, "An application of piezoelectricity to microscopy", Phil. Mag., 13, 297 (1932)].

Történeti áttekintés 1956 J.A. O'Keefe, matematician, proposes the principle, noting the difficulty of mooving a pinhoole close to the surface, Baez demonstrates with acustic waves 1972 E.A. Ash and G. Nichols demonstrates microwave superresolution 1984 Pohl, Denk and Lanz developed the first Scanning Near-Field Optical Microscope (SNOM or NSOM)

Nano-Optika Pásztázó mikroszkópia Pásztázó közeli tér mikroszkópia Kvantum fényforrások Fény-antennák Fotonikus kristályok Meta-anyagok Felületi-plazmon fotonika

A SNOM felépítése

SNOM elrendezés Egy pontszerű fényforrást a leképezendő felület mentén pásztázunk A fényforrás lehet: Üvegszál fém köpennyel, lyukas cantilever, fényemmitáló anyag A fényforrás mérete nm (intenzitás / felbontás) Pásztázás visszacsatolás egyéb paraméterrel (surlódási erő, normális erő )

Visszacsatolási mechanizmusok Surlódási erő – Hangvilla szenzor – Üvegszál Normál erő – AFM szenzor – Optikai detektálás

Lehetséges üzemmódok Transzmisszió - Reflexió Fénygyűjtés - Megvilágítás

Kontraszt mechanizmusok Törésmutató változás Reflektivitás/ transzparencia változás Polarizáció változás Optomechanikai és optomágneses hatás Fluoreszcencia Raman gerjesztés

Alkalmazási lehetőségek

Alkalmazási területek Nagyfelbontású optikai leképezés Spektroszkópia: – NSERS – Félvezetők vizsgálata Felület módosítás – Nanolitográfia – Adattárolás – Lézer abláció Femto-másodperces közelitér vizsgálatok

Tipikus alkalmazások Kvantum mérethatások nanokristályokban Biológiai rendszerek: sejt, protein, enzim, membrán Optoelektronikai eszközök: napelem, led, kapcsoló Egyedi molekulák leképezése Töltésátadási vizsgálatok polimerekben és DNS-ben

Közelitér spektroszkópia Raman spektroszkópia – elsősorban appertúra nélküli elrendezésben intenzitás problémák miatt Tű erősített Raman spektroszkópia – megfelelő bevonat esetén (arany-ezüst) Fluorescens spektroszkópia – biológiai viszgálatok során

Egyedi molekula spektroszkópia Átlagos tulajdonságok helyett a környezettől függő eloszlás Statisztikus bekövetkezési valószínűségek közvetlen meghatározása (átmenetek) Időfüggő folyamatok egyedi vizsgálata Kvantum mérethatások egyedi mérése különböző méretű részecskéken (nem szükséges keskeny méreteloszlás)

NSOM korlátok Nagyon kis mélységélesség és munkatávolság, csak a felület képezhető le Hosszú pásztázási idők Nagyon alacsony intenzitások Üvegszál próba lágy anyagok esetén nehezen használható (merev) Visszacsatolást nehéz fenntartani folyadékban A tű drága és nehéz reprodukálhatóan elkészíteni

Kombinált képi információk feldolgozása Gyakorlati feladatok

Képfeldolgozás Mikroszkópiás képek összehasonlítása – Optikai – SEM – TEM – AFM – STM Kombinált képi információk megjelenítése

Ellenőrző kérdések

1.Miért fontos a fény alapú mikroszkópia? 2.Hogy lehet a diffrakciós határ alatti felbontást elérni? 3.Hogy történik a SNOM esetén a visszacsatolás megvalósítása? 4.Milyen hátrányai vannak az üvegszál alapú AFM mérőfejnek? 5.Milyen szokásos üzemmódokban történhet a fény csatolása? 6.Mik a SNOM fő alkalmazási területei? 7.Milyen kontraszt mechanizmusok lehetségesek? 8.Milyen új információkat szolgáltat az egyedi molekuláko végezhető spektroszkópia? 9.Milyen spektroszkópiás vizsgálatokat lehet elvégezni SNOM esetén? 10.Mik a SNOM vizsgálat korlátai?

Segédanyagok

Kiegészítő olvasmányok Image formation in near field optics – i97.pdf i97.pdf

Programok GWYDDION SPM kép megjelenítő és manipuláló program –

Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István KÖSZÖNÖM A FIGYELMET ! TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"