Билет № 8

 

3. Оптические методы исследования микроструктур. Конфокальная спектроскопия. Зондовая микроскопия ближнего поля.

 

Оптические методы исследования микроструктур

К оптическим методам анализа относят физико-химические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения.  Оптические методы включают в себя большую группу спектральных методов анализа.

1.      Спектроскопия оптического поглощения

2.      Спектроскопия фотолюминесценции

3.      Рамановская спектроскопия

4.      Люминесцентная и флуоресцентная микроскопия

Спектроскопия оптического поглощения - спектроскопия в оптическом (видимом) диапазоне длин волн с примыкающими к нему ультрафиолетовым и инфракрасным диапазонами (от нескольких сотен нанометров до единиц микрон). Этим методом получено подавляющее большинство информации о том, как устроено вещество на атомном и молекулярном уровне, как атомы и молекулы ведут себя при объединении в конденсированные вещества.

Особенность оптической спектроскопии по сравнению с другими видами спектроскопии состоит в том, что большинство структурно организованной материи (крупнее атомов) резонансно взаимодействует с электромагнитным полем именно в оптическом диапазоне частот. Поэтому именно оптическая спектроскопия используется в настоящее время очень широко для получения информации о веществе.

Фотолюминесценция - люминесценция, возбуждаемая светом. Простейший случай фотолюминесценции - резонансное излучение. В этом случае, излучение на выходе среды происходит на той же частоте, что и частота падающего света.

Рамановская спектроскопия или комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света - эффективный метод химического анализа, изучения состава и строения веществ.

Метод исследования в свете люминесценции (люминесцентная микроскопия, или
флуоресцентная микроскопия) заключается в наблюдении под М. зелено-оранжевого
свечения микрообъектов, которое возникает при их освещении сине-фиолетовым светом или
не видимыми глазом ультрафиолетовыми лучами. При этом методе в оптическую схему вводятся два светофильтра. Первый из них помещают перед конденсором; он пропускает
от источника-осветителя излучение только тех длин волн, которые возбуждают
люминесценцию либо самого объекта (собственная люминесценция), либо специальных
красителей, введённых в препарат и поглощённых его частицами (вторичная
люминесценция). Второй светофильтр, установленный после объектива, пропускает к глазу
наблюдателя (или на фоточувствительный слой) только свет люминесценции. В
люминесцентной микроскопии используют как освещение препаратов сверху (через
объектив, который в этом случае служит и конденсором), так и снизу, через обычный
конденсор. Наблюдение при освещении сверху иногда называют «люминесцентной
микроскопией в отражённом свете» (этот термин условен возбуждение свечения препарата не является простым отражением света); его часто сочетают с наблюдением по фазово-контрастному методу в проходящем свете.

 

 

Конфокальная спектроскопия

Для получения изображения наночастиц и анализа структуры и свойств их компонентов используются различные методы, включая флуоресцентную и электронную микроскопии в сочетании с энергодисперсионным рентгеноспектральным анализом и электронным микрозондированием. Часто это разрушающие методы анализа, которые требуют значительных трудозатрат по подготовке образца. Важно и то, что для реализации упомянутых методов, как правило, необходим вакуум, в том числе глубокий, что накладывает серьезные ограничения при исследовании, например, влажных или дегазированных образцов. Иногда эти методы вызывают также структурные изменения.
            Методы конфокальной рамановской (КР) и/или атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволяют выполнять измерения при обычных условиях и дают возможность преодолеть вышеназванные недостатки и провести структурный и композиционный анализ образца перед возможным применением разрушающих аналитических методов.
Рамановский эффект и его применение в микроскопии.

            В рамановской спектроскопии происходит возбуждение молекулы и переход из ее основного квантового состояния в колебательное квантовое с последующим возвращением в исходное. При этом возникает энергетический сдвиг между падающим и рассеянным светом, являющийся уникальной характеристикой каждой молекулы, что дает возможность производить химическую идентификацию соединений в образце. Совмещение рамановского спектрометра с современным конфокальным микроскопом позволяет добиться пространственного разрешения до 200 нм в поперечном направлении и до 500 нм по вертикали. Следует отметить, что в данном методе для возбуждения молекул используется видимый свет.
            Важно, что детектора достигает только свет из фокальной плоскости изображения. Это позволяет значительно увеличить контраст и повысить разрешение. Для устранения влияния отраженного лазерного излучения используются специальные фильтры, а рассеянное рамановское излучение регистрируется спектрометром сочлененным с ПЗС-фотодектором. В таком сочетании время, затрачиваемое на получение рамановского спектра для каждого пикселя изображения, варьируется от 760 мкс до 100 мс. При объединении отдельных спектров на выходе формируется рамановское изображение, состоящее из десятков тысяч отдельных спектров. 
Изображение, генерируемое из мультиспектрального файла, получается совмещением отдельных спектров по одной выбранной рамановской линии или при анализе различных свойств пика, например, полуширины минимумов/максимумов или его положения. Конфокальная регулировка для прозрачных образцов позволяет осуществлять глубинный анализ и генерировать 3D-модели.

 

Зондовая микроскопия ближнего поля (ближнепольная оптическая микроскопия)

 

Ближнепольная оптическая микроскопия (БОМ) — оптическая микроскопия, обеспечивающее разрешение лучшее, чем у обычного микроскопа. Повышение разрешения БОМа достигается детектированием рассеяния света от изучаемого объекта на расстояниях меньших, чем длина волны света.  В случае, если зонд (детектор) микроскопа ближнего поля снабжен устройством пространственного сканирования, то такой прибор называют сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. Такой микроскоп позволяет получать растровые изображения поверхностей и объектов с разрешением ниже дифракционного предела.

Традиционные методы получения оптических изображений объектов имеют существенные ограничения, связанные с дифракцией света. Одним из основополагающих законов оптики является существование так называемого дифракционного предела, который устанавливает минимальный размер (R) объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с длиной волны λ:

где n - показатель преломления среды.

Для оптического диапазона длин волн предельный размер составляет величину порядка 200÷300 нм. В ближнепольной оптической микроскопии используются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне 10 нм и лучше.

В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения)

С физической точки зрения Ближнепольная Сканирующая Оптическая Микроскопия (БСОМ) основана на присутствии в дальней зоне излучения вполне идентифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в ближнем световом поле, которое локализовано на расстояниях много меньших длины волны. В техническом смысле БСОМ сочетает элементы обычной оптики и сканирующей зондовой микроскопии. Отличительным элементом ближнепольных приборов является оптический зонд (рис. 14), обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла.

 
Рис 21 Схема волоконно-оптического ближнепольного зонда: 1 – заострённое оптическое волокно; 2 – металлическое покрытие; 3 – проходящее через зонд излучение; 4 – выходная апертура зонда, d<<λ; 5 – поверхность исследуемого образца и расстояние до зонда, h<<λ. Штрихами очерчена область ближнепольного контакта.

При сканировании зонд собирает оптическую информацию с поверхности образца с разрешением равным диаметру апертуры.

На практике используются несколько конструктивных схем ближнепольного оптического микроскопа. Основные конфигурации БОМ показаны схематично на рис. 22. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазера локализуется в пространстве с помощью волоконного зонда. Такая схема позволяет получить максимальную мощность излучения в области субволнового отверстия и проводить исследование образцов как на отражение (рис. 22 а)), так и на просвет (рис. 22 (б)). Для увеличения чувствительности излучение, отраженное от образца или прошедшее сквозь образец, собирается на фотоприемнике с помощью фокусирующего зеркала или линзы. Кроме того, данная конфигурация БОМ широко используется в экспериментах по ближнепольной оптической литографии.

В экспериментах, когда требуются высокие уровни оптической накачки (как, например, при исследовании локальных нелинейных свойств образцов), реализуется схема, в которой мощное лазерное излучение направляется на исследуемую структуру, а прием осуществляется с помощью ближнепольного зонда.

. 
Рис 22. Возможные конфигурации ближнепольного оптического микроскопа

В настоящее время десятки научно-технических фирм разрабатывают и производят СЗМ и нанотехнологические комплексы на основе объединения пучковых и зондовых методов.