مجهر ضوئي ماسح للمجال القريب

المجهر الضوئي الماسح للمجال القريب ( NSOM ) أو المجهر الضوئي الماسح للمجال القريب ( SNOM ) هو تقنية مجهرية لدراسة البنى النانوية، تتجاوز حدود دقة المجال البعيد من خلال استغلال خصائص الموجات المتلاشية . في تقنية SNOM، يُركز ضوء الليزر المُثير عبر فتحة قطرها أصغر من طول موجة الإثارة، مما يُنتج مجالًا متلاشيًا (أو مجالًا قريبًا) على الجانب البعيد من الفتحة. ^{[ 3 ]} عند مسح العينة على مسافة صغيرة أسفل الفتحة، تكون الدقة البصرية للضوء المنقول أو المنعكس محدودة فقط بقطر الفتحة. على وجه الخصوص، تم إثبات دقة جانبية تصل إلى 6 نانومتر ^{[ 4 ]} ودقة رأسية تتراوح بين 2 و5 نانومتر. ^{[ 5 ] [ 6 ]}  

كما هو الحال في المجهر الضوئي، يمكن تكييف آلية التباين بسهولة لدراسة خصائص مختلفة، مثل معامل الانكسار والتركيب الكيميائي والإجهاد الموضعي. ويمكن أيضاً دراسة الخصائص الديناميكية على مستوى أصغر من الطول الموجي باستخدام هذه التقنية.

NSOM/SNOM هو شكل من أشكال مجهر المسح المجهري .

يُنسب الفضل إلى إدوارد هاتشينسون سينج في ابتكار وتطوير فكرة جهاز تصوير يعتمد على إثارة وجمع حيود الضوء في المجال القريب . استندت فكرته الأصلية، التي اقترحها عام 1928، إلى استخدام ضوء شبه مستوٍ مكثف من قوس مضغوط خلف غشاء معدني رقيق معتم ذي فتحة صغيرة قطرها حوالي 100  نانومتر. كان من المفترض أن تبقى الفتحة ضمن مسافة 100  نانومتر من السطح، وأن تُجمع المعلومات عن طريق المسح نقطة بنقطة. توقع سينج أن يكون كل من الإضاءة وحركة الكاشف أكبر الصعوبات التقنية. ^{[ 7 ] [ 8 ]} كما طور جون أ. أوكيف نظريات مماثلة عام 1956، حيث اعتقد أن حركة الفتحة أو الكاشف عندما يكون قريبًا جدًا من العينة ستكون على الأرجح المشكلة التي قد تحول دون تحقيق مثل هذا الجهاز. ^{[ 9 ] [ 10 ]} كان آش ونيكولز من جامعة كوليدج لندن أول من كسر حد آبي للحيود عام 1972 باستخدام إشعاع الميكروويف بطول موجي 3 سم. وتم تحليل محزز خطي بدقة λ0 _/ 60. ^{[ 11 ]} بعد عقد من الزمن، قدم ديتر بول طلب براءة اختراع لمجهر بصري للمجال القريب ، ^{[ 12 ]} تبعه في عام 1984 أول بحث يستخدم الإشعاع المرئي للمسح الضوئي للمجال القريب. ^{[ 13 ]} تضمن المجهر البصري للمجال القريب (NFO) فتحة دون طول الموجة عند قمة طرف شفاف مدبب مطلي بالمعدن، وآلية تغذية راجعة للحفاظ على مسافة ثابتة تبلغ بضعة نانومترات بين العينة والمسبار. كان لويس وآخرون على دراية أيضًا بإمكانيات مجهر NFO في ذلك الوقت. ^{[ 14 ]} وقد نشروا النتائج الأولى عام 1986 مؤكدين الدقة الفائقة. ^{[ 15 ] [ 16 ]} في كلتا التجربتين، يمكن التعرف على التفاصيل التي يقل حجمها عن 50 نانومتر (حوالي λ _{0 /10).}  

وفقًا لنظرية آبي لتكوين الصور، التي طُوّرت عام ١٨٧٣، فإن قدرة التمييز للمكون البصري محدودة في نهاية المطاف بانتشار كل نقطة من نقاط الصورة نتيجةً للحيود. ما لم تكن فتحة المكون البصري كبيرة بما يكفي لجمع كل الضوء المحيّد، فإن التفاصيل الدقيقة للصورة لن تتطابق تمامًا مع الجسم. وبالتالي، فإن الحد الأدنى للدقة (d) للمكون البصري محدود بحجم فتحته، ويُعبّر عنه بمعيار رايلي .

${\displaystyle d=0.61{\frac {\lambda _{0}}{N\!A}}\;\!}$

هنا، λ₀ _هو الطول الموجي في الفراغ؛ وNA هي الفتحة العددية للمكون البصري (بحد أقصى 1.3-1.4 للعدسات الحديثة ذات عامل التكبير العالي جدًا). ​​وبالتالي، يكون حد الدقة عادةً حوالي λ₀ _/ 2 للمجهر الضوئي التقليدي. ^{[ 17 ]}

لا تأخذ هذه المعالجة في الحسبان سوى الضوء المنعكس إلى المجال البعيد الذي ينتشر دون أي قيود. تستخدم تقنية المجهر الضوئي للمجال القريب (NSOM) المجالات المتلاشية أو غير المنتشرة الموجودة فقط بالقرب من سطح الجسم. تحمل هذه المجالات معلومات مكانية عالية التردد حول الجسم، وتتناقص شدتها أُسّيًا مع المسافة من الجسم. لهذا السبب، يجب وضع الكاشف بالقرب من العينة في منطقة المجال القريب، عادةً بضعة نانومترات. ونتيجةً لذلك، يظل المجهر الضوئي للمجال القريب تقنية فحص سطحية في المقام الأول. ثم يُمسح الكاشف على سطح العينة باستخدام منصة كهرضغطية . يمكن إجراء المسح إما على ارتفاع ثابت أو بارتفاع مُنظّم باستخدام آلية تغذية راجعة. ^{[ 18 ]}

تتكون المكونات الأساسية لجهاز مجهر المسح الضوئي ذي المجال القريب (NSOM) من مصدر الضوء، وآلية التغذية الراجعة، ورأس المسح، والكاشف، ومنصة العينة الكهروإجهادية. عادةً ما يكون مصدر الضوء ليزرًا مُركزًا في ليف بصري عبر مُستقطِب ، ومُقسِّم شعاع، ومُقرن. يعمل المُستقطِب ومُقسِّم الشعاع على إزالة الضوء الشارد من الضوء المنعكس العائد. أما رأس المسح، فيعتمد على نمط التشغيل، وعادةً ما يكون ليفًا بصريًا مشدودًا أو ممدودًا مُغطى بالمعدن باستثناء طرفه، أو مجرد ناتئ قياسي لمجهر القوة الذرية (AFM) به ثقب في مركز طرفه الهرمي. يمكن استخدام كواشف بصرية قياسية، مثل الصمام الثنائي الضوئي الانهياري ، أو أنبوب المضاعف الضوئي (PMT)، أو CCD . تتطلب تقنيات NSOM المتخصصة للغاية، مثل تقنية رامان NSOM، متطلبات كاشف أكثر صرامة. ^{[ 19 ]}

كما يوحي الاسم، تُجمع المعلومات باستخدام التحليل الطيفي بدلاً من التصوير في نطاق المجال القريب. ومن خلال التحليل الطيفي للمجال القريب (NFS)، يُمكن إجراء التحليل الطيفي بدقة دون الطول الموجي. يُعد كل من رامان SNOM وفلوريسنس SNOM من أكثر تقنيات NFS شيوعًا، إذ تُتيح تحديد الخصائص النانوية مع التباين الكيميائي. وفيما يلي بعض تقنيات التحليل الطيفي الشائعة للمجال القريب.

تعتمد تقنية رامان NSOM المباشرة المحلية على مطيافية رامان. وتُعاني تقنية رامان NSOM ذات الفتحة من محدودية بسبب رؤوسها الساخنة جدًا وغير الحادة، بالإضافة إلى طول مدة جمع البيانات. مع ذلك، يُمكن استخدام تقنية NSOM بدون فتحة لتحقيق عوامل كفاءة عالية لتشتت رامان (حوالي 40). وتُصعّب التشوهات الطوبولوجية تطبيق هذه التقنية على الأسطح الخشنة.

يُعدّ التحليل الطيفي الراماني المُحسَّن بالطرف (TERS) فرعًا من التحليل الطيفي الراماني المُحسَّن بالسطح (SERS). يمكن استخدام هذه التقنية في إعداد مجهر المسح الضوئي البصري ذي القوة القصية بدون فتحة، أو باستخدام طرف مجهر القوة الذرية (AFM) المطلي بالذهب أو الفضة. وقد وُجد أن إشارة رامان تُحسَّن بشكل ملحوظ تحت طرف مجهر القوة الذرية. استُخدمت هذه التقنية لرصد التغيرات الموضعية في أطياف رامان تحت أنبوب نانوي أحادي الجدار. ويتطلب الكشف عن إشارة رامان استخدام مطياف كهروضوئي عالي الحساسية.

يُعدّ التصوير المجهري البصري للمجال القريب باستخدام التألق تقنيةً شائعةً وحساسةً للغاية، تعتمد على التألق لتصوير المجال القريب، وهي مناسبةٌ بشكلٍ خاص للتطبيقات البيولوجية. تعتمد هذه التقنية على انبعاث الضوء من الألياف دون فتحةٍ في وضع قوة القص الثابتة. تستخدم هذه التقنية أصباغًا أساسها الميروسيانين مُدمجةً في راتنجٍ مناسب. وتُستخدم مرشحات الحواف لإزالة ضوء الليزر الأساسي بالكامل.  ويمكن تحقيق دقةٍ تصل إلى 10 نانومتر باستخدام هذه التقنية.

تستخدم مطيافية الأشعة تحت الحمراء في المجال القريب ومجهر العزل الكهربائي في المجال القريب ^{[ 19 ]} مجسات المجال القريب لدمج المجهر دون الميكروني مع مطيافية الأشعة تحت الحمراء الموضعية. ^{[ 25 ]}

تُعدّ طريقة nano -FTIR ^{[ 26 ]} تقنية طيفية واسعة النطاق على المستوى النانوي، تجمع بين مجهر المسح الضوئي البصري ذي الفتحة القريبة (NSOM) والإضاءة واسعة النطاق وكشف FTIR للحصول على طيف الأشعة تحت الحمراء كامل في كل موقع مكاني.  وقد أثبتت هذه الطريقة حساسيتها تجاه مُركّب جزيئي واحد ودقة قياس على المستوى النانوي تصل إلى 10 نانومتر. ^{[ 27 ]}

تتيح تقنية التركيز النانوي إنشاء مصدر ضوء "أبيض" على مستوى النانومتر عند قمة الطرف، والذي يمكن استخدامه لإضاءة العينة في المجال القريب لإجراء التحليل الطيفي. وقد تم تصوير الانتقالات الضوئية بين النطاقات في أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار، وتم الإبلاغ عن دقة مكانية تبلغ حوالي 6 نانومتر. ^{[ 28 ]}

قد يكون نظام التصوير البصري عن بُعد (NSOM) عرضةً لتشوهات ناتجة عن أنماط تباين غير مُحددة. ومن أكثر أسباب هذه التشوهات شيوعًا: كسر رأس المسبار أثناء المسح، وظهور خطوط في التباين، وانزياح التباين البصري، وتركيز الضوء في المجال البعيد، والتشوهات الطبوغرافية.

في تقنية NSOM بدون فتحة، والمعروفة أيضًا باسم SNOM من نوع التشتت أو s-SNOM، يتم التخلص من العديد من هذه التشوهات أو يمكن تجنبها من خلال تطبيق التقنية المناسبة. ^{[ 29 ]}

من عيوب هذه التقنية قصر مسافة العمل وقلة عمق المجال . وعادةً ما تقتصر على دراسات الأسطح، إلا أنه يمكن استخدامها في دراسات ما تحت السطح ضمن عمق المجال المناسب. وفي وضع قوة القص أو أي وضع تلامس آخر، لا تُعدّ مناسبة لدراسة المواد اللينة. كما أنها تتطلب أوقات مسح طويلة لمساحات العينات الكبيرة للحصول على صور عالية الدقة.

من القيود الإضافية التوجه السائد لحالة استقطاب الضوء المستخدم في المجال القريب لرأس المسح. توجه رؤوس المسح المعدنية حالة الاستقطاب بشكل طبيعي عموديًا على سطح العينة. تستخدم تقنيات أخرى، مثل مطيافية تيراهيرتز المجهرية غير المتناحية، قياس الاستقطاب في المستوى لدراسة الخصائص الفيزيائية التي لا يمكن الوصول إليها بواسطة مجاهر المسح الضوئي ذات المجال القريب، بما في ذلك التبعية المكانية للاهتزازات داخل الجزيئية في الجزيئات غير المتناحية.

• مطيافية التألق
• البصريات النانوية
• البصريات في المجال القريب

• معرض صور مسح SNOM في Wayback Machine (تمت أرشفته في 2 أكتوبر 2008)