Microscopio óptico de barrido de campo cercano

La microscopía óptica de barrido de campo cercano ( NSOM ) o microscopía óptica de barrido de campo cercano ( SNOM ) es una técnica de microscopía para la investigación de nanoestructuras que rompe el límite de resolución de campo lejano al explotar las propiedades de las ondas evanescentes . En SNOM, la luz láser de excitación se enfoca a través de una abertura con un diámetro menor que la longitud de onda de excitación, lo que da como resultado un campo evanescente (o campo cercano) en el lado lejano de la abertura. ^[3] Cuando la muestra se escanea a una pequeña distancia por debajo de la abertura, la resolución óptica de la luz transmitida o reflejada está limitada solo por el diámetro de la abertura. En particular, se ha demostrado una resolución lateral de 6 nm ^{[4] y una resolución vertical de 2-5 nm. [5] [6]}

Al igual que en la microscopía óptica, el mecanismo de contraste se puede adaptar fácilmente para estudiar diferentes propiedades, como el índice de refracción , la estructura química y la tensión local. Las propiedades dinámicas también se pueden estudiar a una escala inferior a la de la longitud de onda utilizando esta técnica.

NSOM/SNOM es una forma de microscopía de sonda de barrido .

A Edward Hutchinson Synge se le atribuye el mérito de concebir y desarrollar la idea de un instrumento de formación de imágenes que generaría imágenes mediante la excitación y la recolección de difracción en el campo cercano . Su idea original, propuesta en 1928, se basaba en el uso de luz intensa casi plana desde un arco bajo presión detrás de una película metálica fina y opaca con un pequeño orificio de unos 100 nm. El orificio debía permanecer a 100 nm de la superficie y la información debía recopilarse mediante un escaneo punto por punto. Previó que la iluminación y el movimiento del detector serían las mayores dificultades técnicas. ^{[7] [8]} John A. O'Keefe también desarrolló teorías similares en 1956. Pensó que el movimiento del orificio o del detector cuando está tan cerca de la muestra sería el problema más probable que podría impedir la realización de un instrumento de este tipo. ^{[9] [10]} Fueron Ash y Nicholls del University College de Londres quienes, en 1972, rompieron por primera vez el límite de difracción de Abbe usando radiación de microondas con una longitud de onda de 3 cm. Una rejilla de líneas se resolvió con una resolución de λ ₀ /60. ^[11] Una década después, Dieter Pohl presentó una patente sobre un microscopio óptico de campo cercano , ^[12] seguida en 1984 por el primer artículo que utilizó radiación visible para escaneo de campo cercano. ^[13] El microscopio óptico de campo cercano (NFO) involucraba una apertura de sublongitud de onda en el ápice de una punta transparente puntiaguda recubierta de metal y un mecanismo de retroalimentación para mantener una distancia constante de unos pocos nanómetros entre la muestra y la sonda. Lewis et al. también eran conscientes del potencial de un microscopio NFO en este momento. ^[14] Informaron los primeros resultados en 1986 confirmando la superresolución. ^{[15] [16]} En ambos experimentos se pudieron reconocer detalles de tamaño inferior a 50 nm (aproximadamente λ _{0 /10).}

Según la teoría de formación de imágenes de Abbe, desarrollada en 1873, la capacidad de resolución de un componente óptico está limitada en última instancia por la dispersión de cada punto de la imagen debido a la difracción. A menos que la apertura del componente óptico sea lo suficientemente grande como para recoger toda la luz difractada, los aspectos más finos de la imagen no se corresponderán exactamente con el objeto. La resolución mínima (d) del componente óptico está limitada por el tamaño de su apertura y se expresa mediante el criterio de Rayleigh :

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

Aquí, λ ₀ es la longitud de onda en el vacío; NA es la apertura numérica para el componente óptico (máximo 1,3–1,4 para objetivos modernos con un factor de aumento muy alto). Por lo tanto, el límite de resolución suele estar alrededor de λ ₀ /2 para la microscopía óptica convencional. ^[17]

Este tratamiento tiene en cuenta únicamente la luz difractada en el campo lejano que se propaga sin restricciones. NSOM utiliza campos evanescentes o que no se propagan y que existen únicamente cerca de la superficie del objeto. Estos campos llevan la información espacial de alta frecuencia sobre el objeto y tienen intensidades que caen exponencialmente con la distancia al objeto. Debido a esto, el detector debe colocarse muy cerca de la muestra en la zona del campo cercano, normalmente unos pocos nanómetros. Como resultado, la microscopía de campo cercano sigue siendo principalmente una técnica de inspección de superficies. A continuación, el detector se desplaza a través de la muestra utilizando una platina piezoeléctrica . El escaneo puede realizarse a una altura constante o con una altura regulada utilizando un mecanismo de retroalimentación. ^[18]

Existen NSOM que pueden funcionar en el llamado modo de apertura y NSOM para funcionar en un modo sin apertura. Como se muestra, las puntas utilizadas en el modo sin apertura son muy afiladas y no tienen un revestimiento metálico.

Aunque existen muchos problemas asociados con las puntas con apertura (calentamiento, artefactos, contraste, sensibilidad, topología e interferencias, entre otros), el modo con apertura sigue siendo más popular. Esto se debe principalmente a que el modo sin apertura es aún más complejo de configurar y operar, y no se entiende tan bien. Hay cinco modos principales de funcionamiento de NSOM con apertura y cuatro modos principales de funcionamiento de NSOM sin apertura. Los principales se ilustran en la siguiente figura.

Algunos tipos de operación NSOM utilizan una sonda de campanilla , que tiene forma de pirámide cuadrada con dos facetas recubiertas de un metal. Dicha sonda tiene una alta eficiencia de recolección de señal (>90%) y no tiene corte de frecuencia. ^[21] Otra alternativa son los esquemas de "punta activa", donde la punta se funcionaliza con fuentes de luz activas como un tinte fluorescente ^[22] o incluso un diodo emisor de luz que permite la excitación de fluorescencia. ^[23]

Las ventajas de las configuraciones NSOM con y sin apertura se pueden combinar en un diseño de sonda híbrida, que contiene una punta metálica unida al costado de una fibra óptica cónica. En el rango visible (400 nm a 900 nm), aproximadamente el 50 % de la luz incidente se puede enfocar hacia el ápice de la punta, que tiene un radio de alrededor de 5 nm. Esta sonda híbrida puede enviar la luz de excitación a través de la fibra para realizar espectroscopia Raman mejorada con la punta (TERS) en el ápice de la punta y recolectar las señales Raman a través de la misma fibra. Se ha demostrado la STM-NSOM-TERS de fibra dentro y fuera sin lentes. ^[24]

Los mecanismos de retroalimentación se utilizan generalmente para lograr imágenes de alta resolución y sin artefactos, ya que la punta debe estar ubicada a unos pocos nanómetros de las superficies. Algunos de estos mecanismos son la retroalimentación de fuerza constante y la retroalimentación de fuerza de corte.

El modo de retroalimentación de fuerza constante es similar al mecanismo de retroalimentación utilizado en la microscopía de fuerza atómica (AFM). Los experimentos se pueden realizar en modo de contacto, contacto intermitente y sin contacto.

En el modo de retroalimentación de fuerza de corte, se monta un diapasón junto a la punta y se lo hace oscilar a su frecuencia de resonancia. La amplitud está estrechamente relacionada con la distancia entre la punta y la superficie, y por lo tanto se utiliza como mecanismo de retroalimentación. ^[18]

Es posible aprovechar las diversas técnicas de contraste disponibles para la microscopía óptica a través de NSOM pero con una resolución mucho mayor. Al utilizar el cambio en la polarización de la luz o la intensidad de la luz en función de la longitud de onda incidente, es posible hacer uso de técnicas de mejora del contraste como la tinción , la fluorescencia , el contraste de fase y el contraste de interferencia diferencial . También es posible proporcionar contraste utilizando el cambio en el índice de refracción, la reflectividad, el estrés local y las propiedades magnéticas, entre otros. ^{[18] [19]}

Los componentes principales de una configuración NSOM son la fuente de luz, el mecanismo de retroalimentación, la punta de escaneo, el detector y la etapa de muestra piezoeléctrica. La fuente de luz suele ser un láser enfocado en una fibra óptica a través de un polarizador , un divisor de haz y un acoplador. El polarizador y el divisor de haz servirían para eliminar la luz parásita de la luz reflejada que regresa. La punta de escaneo, dependiendo del modo de operación, suele ser una fibra óptica estirada o tirada recubierta de metal excepto en la punta o simplemente un voladizo AFM estándar con un orificio en el centro de la punta piramidal. Se pueden utilizar detectores ópticos estándar, como el fotodiodo de avalancha , el tubo fotomultiplicador (PMT) o el CCD . Las técnicas NSOM altamente especializadas, por ejemplo, Raman NSOM, tienen requisitos de detector mucho más estrictos. ^[19]

Como su nombre lo indica, la información se recopila por medios espectroscópicos en lugar de imágenes en el régimen de campo cercano. A través de la espectroscopia de campo cercano (NFS), se puede realizar una exploración espectroscópica con una resolución inferior a la longitud de onda. La SNOM Raman y la SNOM de fluorescencia son dos de las técnicas de NFS más populares, ya que permiten la identificación de características de tamaño nanométrico con contraste químico. A continuación se muestran algunas de las técnicas espectroscópicas de campo cercano más comunes.

El NSOM Raman local directo se basa en la espectroscopia Raman. El NSOM Raman de apertura está limitado por puntas muy calientes y romas, y por tiempos de recolección prolongados. Sin embargo, el NSOM sin apertura se puede utilizar para lograr factores de eficiencia de dispersión Raman altos (alrededor de 40). Los artefactos topológicos dificultan la implementación de esta técnica para superficies rugosas.

La espectroscopia Raman con punta mejorada (TERS) es una variante de la espectroscopia Raman con superficie mejorada (SERS). Esta técnica se puede utilizar en una configuración NSOM de fuerza de corte sin apertura o mediante el uso de una punta de AFM recubierta de oro o plata. Se ha descubierto que la señal Raman se mejora significativamente debajo de la punta de AFM. Esta técnica se ha utilizado para generar variaciones locales en los espectros Raman debajo de un nanotubo de pared simple. Se debe utilizar un espectrómetro optoacústico de alta sensibilidad para la detección de la señal Raman.

La fluorescencia NSOM es una técnica muy popular y sensible que utiliza la fluorescencia para obtener imágenes de campo cercano y es especialmente adecuada para aplicaciones biológicas. La técnica elegida en este caso es la emisión sin apertura hacia la fibra en modo de fuerza de corte constante. Esta técnica utiliza colorantes a base de merocianina embebidos en una resina adecuada. Se utilizan filtros de borde para eliminar toda la luz láser primaria. Se puede lograr una resolución de hasta 10 nm utilizando esta técnica. ^{[ cita requerida ]}

La espectrometría infrarroja de campo cercano y la microscopía dieléctrica de campo cercano ^[19] utilizan sondas de campo cercano para combinar la microscopía submicrónica con la espectroscopia IR localizada. ^[25]

El método nano-FTIR ^[26] es una espectroscopia a escala nanométrica de banda ancha que combina la NSOM sin apertura con iluminación de banda ancha y detección FTIR para obtener un espectro infrarrojo completo en cada ubicación espacial. Se ha demostrado sensibilidad a un único complejo molecular y una resolución a escala nanométrica de hasta 10 nm con nano-FTIR. ^[27]

La técnica de nanoenfoque puede crear una fuente de luz "blanca" a escala nanométrica en el ápice de la punta, que se puede utilizar para iluminar una muestra en el campo cercano para el análisis espectroscópico. Se obtienen imágenes de las transiciones ópticas entre bandas en nanotubos de carbono de pared simple individuales y se ha informado de una resolución espacial de alrededor de 6 nm. ^[28]

La NSOM puede ser vulnerable a artefactos que no se deben al modo de contraste previsto. Las causas más comunes de los artefactos en la NSOM son la rotura de la punta durante el escaneo, el contraste rayado, el contraste óptico desplazado, la concentración local de luz de campo lejano y los artefactos topográficos.

En el NSOM sin apertura, también conocido como SNOM de tipo dispersión o s-SNOM, muchos de estos artefactos se eliminan o se pueden evitar mediante la aplicación de la técnica adecuada. ^[29]

Una de sus limitaciones es la distancia de trabajo muy corta y la profundidad de campo extremadamente reducida . Normalmente se limita a estudios de superficie; sin embargo, se puede aplicar para investigaciones del subsuelo dentro de la profundidad de campo correspondiente. En el modo de fuerza de corte y otras operaciones de contacto, no es propicio para estudiar materiales blandos. Tiene tiempos de escaneo largos para áreas de muestra grandes para imágenes de alta resolución. ^{[ cita requerida ]}

Una limitación adicional es la orientación predominante del estado de polarización de la luz de interrogación en el campo cercano de la punta de escaneo. Las puntas de escaneo metálicas orientan naturalmente el estado de polarización perpendicular a la superficie de la muestra. Otras técnicas, como la microespectroscopia anisotrópica de terahercios, utilizan polarimetría en el plano para estudiar propiedades físicas inaccesibles a los microscopios ópticos de escaneo de campo cercano, incluida la dependencia espacial de las vibraciones intramoleculares en moléculas anisotrópicas.

• Espectroscopia de fluorescencia
• Nano-óptica
• Óptica de campo cercano

• Galería de imágenes escaneadas de SNOM en Wayback Machine (archivada el 2 de octubre de 2008)