[روش های شناسایی نانوساختارها] - میکروسکوپ‌های پروبی روبشی

[P O U R I A]

1- مقدمه
میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM= Magnetic force microscopy) ، جهت مطالعه خواص مغناطیسی موضعی بکار رفته و تغییرات نیروی مغناطیسی را در سطح نمونه یررسی می کند[1]. همچنین میتوان از این میکروسکوپ جهت به تصویر کشیدن ساختار حوزه های مغناطیسی ایجاد شده بطور طبیعی یا مصنوعی در مواد مغناطیسی، استفاده نمود. [2].
در میکروسکوپ های نیروی مغناطیسی از سوزنی استفاده می شود که با لایه ای نازک از ماده فرومغناطیس با مغناطیس پذیری مخصوص

پوشیده شده است و میدان مغناطیسی موضعی

، ایجاد شده توسط یک نمونه را مورد بررسی قرار می دهد(شکل1)[3, 4]. به عبارت دیگر میکروسکوپی(ریزبینی) نیروی مغناطیسی، بعنوان یک تکنیک میکروسکوپی نیرویی روبشی درنظر گرفته می شود که به اندازه گیری نیروهای سوزن - نمونه ایجاد شده توسط یک میدان مغناطیسی، اختصاص یافته است.

شکل1- سوزن MFM در میدان مغناطیسی نمونه[3]

​

در حقیقت اگر سوزنی با گشتاور مغناطیسی استفاده شود، میتوان از هر میکروسکوپ نیرویی روبشی بعنوان میکروسکوپ نیروی مغناطیسی استفاده نمود. در اینصورت، MFMنسبت به خطوط میدان مغناطیسی خارج شده (emanating) از نمونه، حساس می شود. در اینجا می توان از سوزنهای دیگری که به خطوط میدان مغناطیسی حساس هستند، نیز استفاده کرد. مثالهای آن عبارتند از: پروب های میکروساخت هال (Microfabricated Hall probes) ، آشکارسازهای مقاومت مغناطیسی (magnetoresistive ) و ابزارهای تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUIDS= Superconductive quantum interference devices) از [2].

​

2- تاریخچه

بر اساس دانش بدست آمده از میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ نیروی مغناطیسی[4, 5]، توسط ایو مارتین (Yves Martin) و اچ.کومار ویکراماسین (H. Kumar Wickramasinghe) در سال 1987 میلادی، معرفی شد[1, 4]. در سالهای بعد، آزمایشهای اندازه گیری نیروهای بین یک نمونه فرومغناطیس و سوزنی که حامل گشتاور مغناطیسی دائمی است، انجام شد[6-9]. اغلب این کارهای اولیه به تصویرگیری از ساختار بیت های (bit) اطلاعاتی نوشته شده در مواد ضبط مغناطیسی و بررسی مکانیزم کنتراست اختصاص داشت[4, 10-12]. از آن زمان، نیروهای ایجاد شده توسط میدان مغناطیسی، برروی نمونه های مختلفی، بررسی شده است. آزمایش های موفقیت آمیزی تحت شرایط محیطی مانند هوا، خلاء، [13]، UHV[14-16]، دماهای پایین [5, 17, 18]، و محیطهای ذخیره مغناطیسی[19]صورت گرفته است. در نتیجه میکروسکوپی نیروی مغناطیس در بیست سال اخیر بصورت متداول ترین تکنیک تصویرگیری مغناطیسی درآمده است[2].

 

[P O U R I A]

3- سیستم کاری MFM
تصویری که با یک سوزن مغناطیسی گرفته می شود، شامل اطلاعاتی درباره هر دو نوع خواص توپوگرافی و مغناطیسی سطح است. اثر غالب، به فاصله سوزن و نمونه بستگی دارد. نیروی مغناطیسی بین اتمی، نسبت به نیروی واندروالس تا فواصل بیشتری بین سوزن و سطح برقرار است. اگر سوزن به سطح نمونه نزدیک باشد، در ناحیه ای که AFM دینامیکی استاندارد کار می کند، تصویر عمدتا توپوگرافی خواهد بود. با افزایش فاصله بین سوزن و نمونه، تأثیرات مغناطیسی غالب تر می شوند. جمع آوری مجموعه ای از تصاویر در فواصل مختلف سوزن تا نمونه یک راه جدا کردن اثرات مغناطیسی از توپوگرافی است[2, 20].
شماتیک ساده شده سیستم کنترل در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی که مشابه سیستم های کنترل موجود در میکروسکوپهای AFM و EFM است، در شکل2 نشان داده شده است.

شکل2- شماتیک ساده شده سیستم کنترل در میکروسکوپهای AFM,EFM,MFM از [3]
​

​

​

4- اندازه گیری نیروهای مغناطیسی
به منظور تصویر برداری برهمکنشهای مغناطیسی سوزن- نمونه به عنوان تابعی از موقعیت X و Y، سوزن در فاصله ای به اندازه کافی بزرگ، که از نیروهای غیرمغناطیسی قوی سوزن – نمونه اجتناب شود، روبش را شروع می کند. سپس می توان توسط حالات مختلف کاری میکروسکوپی نیروی روبشی، برهمکنش مغناطیسی سوزن – نمونه را اندازه گیری نمود.

اگرچه می توان هر میکروسکوپ نیروی روبشی را بعنوان میکروسکوپ نیروی مغناطیسی استفاده کرد، اندازه گیری نیروهای مغناطیسی، مسئله ای دشوار است. در حالی که در یک آزمایش معمول میکروسکوپی نیرویی روبشی، نیروی سوزن – نمونه معمولا در محدوده نانونیوتن است که برای اندازه گیری توپوگرافی نمونه در حالات تماسی و غیرتماسی استفاده می شود، نیروهای مغناطیسی، معمولا دو یا سه برابر کوچک تر هستند. در نتیجه وقتی که سوزن در تماس با نمونه است یا حتی در محدوده نیروهای نیروهای سوزن – نمونه قرار دارد، آشکارسازی این نیروهای کوچک مغناطیسی بسیار مشکل است.

با فرض اینکه کانتیلور و نیرو در جهت Z تنظیم شده اند، انحراف کانتیلور در اثر نیروی برهمکنش مغناطیسی سوزن – نمونه، با روابط زیر تعیین می شود:

​

​

​

​

​

​

که ، ثابت نیروی کانتیلور و

، جزء Z برآیند تمام نیروهای برهمکنش غیرمغناطیسی سوزن – نمونه است. اگر سوزن در تماس با نمونه باشد، این برآیند نیرو در حد چندین N/m خواهد بود. در اینصورت انحراف کانتیلور منعکس کننده توپوگرافی نمونه است و نه میدان مغناطیسی.

جهت تهیه نقشه میدان مغناطیسی خارج شده از نمونه، باید میکروسکوپ در حالت غیرتماسی کار کند. همچنین فاصله بین سوزن و نمونه باید به اندازه کافی زیاد باشد تا از برهمکنش های غیر مغناطیسی سوزن و نمونه، ناشی از نیروهای وابسته به توپوگرافی، اجتناب شود. در اینصورت برهمکنشهای سوزن- نمونه، باعث تولید سیگنال می گردد [2, 21].

 

[P O U R I A]

5- برهمکنش سوزن MFM و میدان مغناطیسی موضعی
تشریح جزئیات برهمکنش سوزن MFM، با میدان مغناطیسی موضعی

، ایجاد شده توسط یک نمونه، مسئله پیچیده ای است. با فرض اینکه سوزن MFM به عنوان یک دوقطبی مغناطیسی منفرد با ممان مغناطیسی

عمل می کند، می توان مدل ساده ای از آن را در نظر گرفت[22].


بر اساس این مدل، انرژی مغناطیسی سیستم حاضر حاصلضرب عددی

و

است.

​

​

​

دوقطبی مغناطیسی در میدان

، بوسیله نیروی زیر تأثیر می پذیرد:

​

​

​

و ممان نیروی

، حاصلضرب برداری

و

است:

​

​

​

در یک میدان مغناطیسی یکنواخت، نیروی

، صفر است. این در حالی است که در یک میدان مغناطیسی غیریکنواخت، دوقطبی ها به سوی مناطقی با شدت میدان مغناطیسی

، بیشتر جذب می شود.

بطور کلی ممان مغناطیسی سوزن MFM می تواند بصورت برهمنهی دوقطبی های مغناطیسی به فرم زیر بیان شود:

که در آن،

، مغناطیس پذیری مخصوص پوشش سوزن و dv ، حجم اولیه لایه پوشش است.

شکل3- برهمکنش سوزن MFM با میدان مغناطیسی یک نمونه[3]
​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

انرژی کل بعلت برهمکنش مغناطیسی سوزن - نمونه، از انتگرالگیری روی لایه مغناطیسی سوزن بدست می آید:

​

​

نیروی برهمکنش سوزن با میدان نمونه، بصورت زیر است:

برهمین اساس مؤلفه Z، نیز بصورت زیر خواهدبود [3]:

6- برهمکنش سوزن MFM و نمونه؛ و حالات کاری MFM
در MFM، برهمکنش سوزن – نمونه ممکن است با استفاده از یکی از دو تکنیک زیر مورد مطالعه قرار گیرد:
الف) تکنیک های استاتیکی
ب) تکنیک های دینامیکی(نوسانی)

1-1- تکنیکMFM استاتیکی
در حالات استاتیکی، نیروی عمل کننده روی سوزن از انحراف استاتیک کانتیلور اندازه گیری می شود. بر این اساس در این تکنیک استاتیکی، در طی عملیات روبش، سوزن بالای نمونه در ارتفاع ثابت حرکت می کند. مقدار خمش کانتیلور بوسیله سیستم نوری تشخیص داده شده و بعنوان تصویر MFM، ، ضبط می شود و نحوه توزیع نیروهای برهمکنش نمونه – سوزن مغناطیسی را به تصویر می کشد. بدین ترتیب در این حالت، نیروی عمل کننده روی سوزن، از انحراف استاتیک کانتیلور اندازه گیری می گردد (رابطه 1)[2].

برای انجام عملیات روبش در ارتفاع ثابت، یک تکنیک دو مرحله ای برای نمونه ای با زبری قابل توجه، می باشد. در هر خط روبش، مراحل زیر انجام می شود:
در مرحله اول، تصویر توپوگرافیک AFM، در حالت تماسی یا شبه تماسی (semi-contact)، بدست می آید. سپس سوزن از سطح تا ارتفاع h، بالا رفته و عملیات روبش تکرار می شوند. (شکل4) در این حالت مقدار فاصله h، بایستی به اندازه کافی زیاد باشد، تا نیروی واندروالس را کمتر از نیروی برهمکنش مغناطیسی بسازد.


​

​

شکل4- تکنیک دومرحله ای بکارگیری MFM از مرجع[3]
​

​

در طی مرحله دوم، پروب بالای سطح، با تکرار خط سیر توپوگرافی نمونه، حرکت می کند. به دلیل اینکه فاصله موضعی بین سوزن در هر نقطه ثابت است، تغییرات خمش کانتیلور در طی عملیات روبش، بعلت ناهمگنی موضعی میدان های مغناطیسی خواهد بود. از این رو تصویر نهایی، تابع دو متغیره است که توزیع برهمکنش مغناطیسی نمونه – سوزن را توصیف می کند[3].

 

[P O U R I A]

1-1- تکنیک MFM دینامیکی (نوسانی)
در حالات دینامیکی، برآیند نیروهای عمل کننده برروی سوزن، از تغییر در خواص دینامیکی کانتیلور ، مانند تغییرات در فاز، دامنه نوسان، یا فرکانس رزونانس، تعیین می گردد[2].
بکارگیری تکنیکهای نوسانی در میکروسکوپ نیروی مغناطیسی، در مقایسه با تکنیک استاتیکی، حساسیت بالاتری را فراهم کرده و اجازه می دهد تا تصاویر بهتری تهیه گردد.
مطابق تکنیک غیرتماسی AFM، حضور گرادیان نیرو باعث تغییرات فرکانس تشدید و به تبع آن تغییر پاسخهای فازی، درسیستم نمونه – سوزن، می شود. این تغییرات در خواص رزونانسی برای کسب اطلاعات از نحوه توزیع مغناطیس پذیری در سطح نمونه، مورد استفاده قرار می گیرد.

گرادیان نیرو ، در حالت برهمکنش مغناطیسی بصورت زیر است:


​

​

​

​

در حالت نوسانی MFM نیز یک تکنیک دو مرحله ای استفاده می شود.
در ابتدا به کمک یک قطعه پیزو، نوسانات کانتیلور در فرکانس ω ، نزدیک تشدید، برانگیخته می شود. در طی اولین مرحله، حالت شبه تماسی توپوگرافی سطح ضبط شده ، در مرحله دوم، سوزن بالای نمونه با خط سیری منطبق با توپوگرافی حرکت می کند. بنابراین میانگین فاصله سوزن – نمونه، در مقدار ثابتی که توسط کاربر تعیین شده، حفظ می گردد. همچنین تصویر MFM بوسیله ضبط تغییرات در دامنه یا فاز نوسان کانتیلور، شکل می گیرد.

دامنه و فاز نوسان کانتیلور (مشروط بر اینکه تغییرات گرادیان

در طول سطح ناچیز باشد) می تواند بصورت زیر تقریب زده شود:

​

​

​

​

سپس تغییرات دامنه نوسان و فاز، با توجه به تغییرات گرادیان بصورت زیر است:

​

​

​

​

شکل5- تغییر دامنه نوسان و فاز با توجه به تغییر گرادیان نیرو[3]

 

[P O U R I A]

ضرایب

، روشهای اندازه گیری حساسیت دامنه و فاز را مشخص می کند. حداکثر حساسیت در فرکانسهای مشخصی بدست آمده که این فرکانس، برای اندازه گیری های مربوط به دامنه عبارتست از:


​

​

​

​

​

​

​

​

برای اندازه گیری های فاز، زمانی که فرکانس ارتعاشات کانتیلور با فرکانس تشدید سیستم سوزن – نمونه، منطبق باشد، حداکثر حساسیت بدست می آید[3]:

​

​

​

​

​

​

در شکل 6، تصاویر میکروسکوپ نیروی مغناطیسی از سطح یک دیسک مغناطیسی که به کمک تکنیک های مختلف بدست آمده اند، ارائه شده است.

شکل6- تصاویر MFM از سطح یک دیسک مغناطیسی: الف) توپوگرافی AFM ب) تصویر MFM کنتراست فازی ج) تصویر MFM کنتراست دامنه د) تصویر MFM با استفاده از تکنیک استاتیکی (نقشه نیروی مغناطیسی)[3]
​

​

​

 

[P O U R I A]

در ادامه ..................


در مقاله پیشین به تاریخچه، سیستم کاری و نحوه عملکرد دستگاه میکروسکوپ نیروی مغناطیسی و نیز به برخی تکنیک ها و فرمول های مرتبط پرداخته شد. در ادامه مباحث مقاله گذشته، روشهای کنترل فاصله سوزن و نمونه و برهمکنش ها و تکنیک های مطرح، در مقاله حاضر پیگیری می شود. نحوه تشکیل کنتراست و شکل گیری تصاویر و همچنین نمونه هایی از محاسبات مربوط به میکروسکوپ نیروی مغناطیسی در پایان ذکر می گردد.

 

[P O U R I A]

1- روشهای کنترل فاصله سوزن و نمونه در MFM
در اغلب آزمایش های میکروسکوپی نیروی روبشی، فاصله سوزن– نمونه طوری به نحوی کنترل می شود که برهمکنش اندازه گیری شده سوزن– نمونه، ثابت نگه داشته شود. یک شرط لازم ولی ناکافی برای پایداری بازخورد این است که نباید علامت برآیند برهمکنش اندازه گیری شده، در طی روبش تصویر، تغییر کند. به عبارت دیگر برای تصحیح انحراف از نقطه تنظیم، جهت عمل بازخورد، باید بصورت مناسبی از پیش تدابیری تعریف شود. در مورد نیروهای توپوگرافی(نیروهای تماسی یا واندروالس)، این شرایط برآورده می شود زیرا وابستگی نیرو به فاصله سوزن – نمونه در محدوده به اندازه کافی بزرگ از فواصل سوزن – نمونه، یکنواخت است. اما نیروهای مغناطیسی این شرایط را تأمین نمی کنند. این موضوع به این دلیل می باشد که نیروی مغناطیسی می تواند در ناحیه مورد نظر ، جذبی یا دفعی باشد. در نتیجه روش های دیگری برای کنترل فاصله سوزن– نمونه، توسعه یافته است. این روش ها را می توان در دو گروه تقسیم بندی نمود:

گروه اول)
اولین گروه شامل حالت های کاری است که تک سیگنال برهمکنش سوزن – نمونه، شامل سیگنال مغناطیسی، را ثابت نگه می دارد. سپس می توان سیگنال مغناطیسی را از تغییرات فاصله سوزن – نمونه، حذف نمود.

گروه دوم)
گروه دوم شامل حالت های کاری است که با کنترل فاصله بر مبنای یک نیروی برهمکنش غیرمغناطیسی مشخص می شوند[2, 21].

1-1- برهمکنش های کنترل کننده شامل سیگنال مغناطیسی
از آنجا که نیروی مغناطیسی در قسمتهای مختلف نمونه، می تواند جذبی یا دفعی باشد، به نیروی خود مهار (Servo-force) اضافی برای اطمینان از پایداری بازخورد، نیاز است. در اصل این نیروی خود مهار، می تواند برهمکنش واندروالس باشد که جذبی باقی می ماند. اما نیروهای واندروالس معمولا بسیار کوچک و در واقع قابل مقایسه با قدرت نیروهای مغناطیسی هستند، بنابراین ممکن است برآیند کل نیرو هنوز هم منفی باقی بماند.
با استفاده از میدان الکتریکی بین سوزن و نمونه، که به اندازه کافی قوی باشد، می توان از پایداری بازخورد فاصله اطمینان حاصل نمود[1]. مشکل اصلی در کارکرد حالات متکی به برهمکنش سوزن – نمونه این است که تغییرات برهمکنش مغناطیسی یا غیر مغناطیسی سوزن – نمونه باعث تغییرات فاصله سوزن – نمونه می شود. بنابراین اطلاعات مغناطیسی و توپوگرافی با هم مخلوط (convoluted) می شوند. علاوه بر این، رزولوشن (قدرت تفکیک) جانبی ساختار مغناطیسی تصویر شده، با فاصله سوزن – نمونه بصورت زیر تغییر میکند:
وقتی که سوزن در بالای قسمتی از نمونه با نیروی مغناطیسی جذبی یا دفعی بزرگ باشد، بازخورد، فاصله سوزن – نمونه را به ترتیب، افزایش یا کاهش می دهد. این باعث خواهد شد که تفسیر برهمکنش مغناطیسی بسیار مشکل شود. به هر حال، این حالت کاری در بسیاری از آزمایشات اولیه MFM بکار برده شد[2, 3].

1-2- برهمکنش جداگانه برای کنترل و اندازه گیری
در این روش با اندازه گیری یک خاصیت فیزیکی وابسته به فاصله (برهمکنش کنترل) متفاوت از نیروی مغناطیسی سوزن – نمونه (برهمکنش مورد نظر)، از بروز مشکلات بازخورد موجود در روش قبل اجتناب کرد. در اینصورت برهمکنش کنترل برای سیگنال ورودی مدار بازخورد فاصله سوزن– نمونه استفاده می شود و تغییرات موضعی نیروی مغناطیسی باعث برهمکنش متغیر مغناطیسی می گردد. اصولا از برهمکنش های فیزیکی بسیاری می توان برای کنترل فاصله استفاده کرد. در زیر به سه مورد اشاره می شود:
الف) جریان تونلی ثابت
ب) استفاده از ظرفیت سوزن – نمونه
ج) تکنیکهای lift-off

1-2-1- جریان تونلی ثابت
فاصله سوزن– نمونه به نحوی تنظیم می شود که جریان تونلی بین نمونه و کانتیلور ثابت بماند. در اینصورت خمش کانتیلور ( با تغییر در فرکانس رزونانس آن ) می تواند منعکس کننده سیگنال مغناطیسی باشد.

1-2-2- ظرفیت سوزن – نمونه
ظرفیت سوزن– نمونه بصورت خطی به فاصله سوزن– نمونه بستگی دارد. چنانچه یک پتانسیل الکتریکی سینوسی متغیر به نمونه اعمال شود، انحراف یا فرکانس رزونانس مربوطه کانتیلور می تواند برای کنترل فاصله استفاده شود. چنانچه دامنه پتانسیل متغیر سینوسی به اندازه کافی کوچک باشد و اگر فرکانسی متفاوت از فرکانس رزونانس کانتیلور انتخاب شود، اندازه گیری سیگنال مغناطیسی وابسته به ولتاژ نخواهد بود.

1-2-3- تکنیکهای lift-off
توپوگرافی نمونه مغناطیسی می تواند حتی در حضور نیروهای مغناطیسی نیز اندازه گیری شود، زیرا پارامترهای کاری می توانند بگونه ای انتخاب شوند که برهمکنش غیر مغناطیسی سوزن – نمونه، سیگنال اصلی تشکیل تصویر باشد. با در تماس قرار دادن سوزن با نمونه، این شرط به آسانی محقق می شود. همانطور که رابطه های 1 و 2 نشان می دهند، انحراف کانتیلور ناشی از نیروهای مغناطیسی بسیار کوچک بوده و بنابر این توپوگرافی نمونه اندازه گیری می شود. اما توپوگرافی را می توان در حالت نیمه تماسی(نوک زنی) یا حتی در حالت غیرتماسی نیز اندازه گیری نمود. استفاده از حالت غیرتماسی معمولا نیازمند یک حلقه قفل شونده فازی (Phase- locked) است که باعث نوسان رزونانس کانتیلور با دامنه ثابت می شود.
برای تهیه نقشه توپوگرافی، فاصله سوزن – نمونه طوری تنظیم می شود که فرکانس رزونانس را در نقطه تنظیم جابجایی (shift) فرکانس منفی بزرگ نگه دارد. نقطه تنظیم جابجایی فرکانس باید بسیار بزرگتر از تغییرات فرکانس ناشی از نیروی برهمکنش مغناطیسی سوزن – نمونه باشد. در اینصورت تغییرات ثبت شده فاصله تقریبا منعکس کننده توپوگرافی است. اما اگر حداکثر برآیند نیروهای واندروالس بسیار بزرگتر از گرادیان نیروی مغناطیسی نباشد، این شرایط برآورده نخواهد شد. در چنین مواردی می توان یک پتانسیل الکترواستاتیک به نمونه اعمال کرد تا نیروی برهمکنش غیرمغناطیسی تولید کند و بنابراین شرایط بازخورد پایدار با نقطه تنظیم جابجایی فرکانس منفی بزرگ حاصل گردد.
وقتی که توپوگرافی حاصل اندازه گیری شد، می توان از این داده ها برای ثابت نگهداشتن فاصله سوزن – نمونه در طی روبش دوم همان ناحیه استفاده نمود. سپس برهمکنش مغناطیسی سوزن – نمونه ثبت میشود.
بیشتر آزمایشات میکروسکوپی نیروی مغناطیسی در دمای اتاق انجام می شوند و حرکت دمایی و خزش پیزو، اجازه روبش دوباره، درست در همان ناحیه روبش اول را نمی دهند. برای غلبه بر این مشکل، جمع آوری داده های توپوگرافی و مغناطیسی در حالت خط به خط انجام می پذیرد. در این حالت، سوزن هر موضع از نمونه را دو بار روبش می کند، یکبار برای اندازه گیری توپوگرافی و بار دوم، در حالیکه سوزن از سطح نمونه دور شده است، برای تهیه نقشه نیروهای مغناطیسی[2, 3].

 

[P O U R I A]

2- تشکیل کنتراست
قلب آزمایش MFM، سوزن مغناطیسی متصل به یک کانتیلور است. برای درک تشکیل کنتراست، باید برهمکنش این سوزن مغناطیسی با میدان مغناطیسی نمونه، تجزیه و تحلیل گردد. برهمکنش توزیع مغناطش نمونه با خطوط میدان مغناطیسی سوزن نیز می تواند مطالعه شود [4]. تعداد محدودی خطوط میدان مغناطیسی نیز وجود دارد که الگوی خطوط میدان مشابهی را تولید می کنند. بنابراین، در بهترین شرایط، فقط خطوط میدان سطح نمونه (با چگالی بار مغناطیسی) را می توان از داده های MFM بدست آورد[3].

شرط لازم برای تعیین خطوط میدان از داده های MFM اندازه گیری شده، داشتن اطلاعات کافی از توزیع مغناطش سوزن است. در این حالت می توان سوزن را با مدل نقطه - قطبی (Point-pole models ) ساده یا با مدلهای هندسی شرح داد و تابع پاسخ سوزن را از آزمایشات کالیبراسیونی که بدقت طراحی شده اند ، تعیین نمود. چنانچه ساختار مغناطیسی سوزن شناخته شده باشد، نیروی روی سوزن از تغییر کنولوسیون (convolutions ) مغناطش سوزن و خطوط میدان نمونه در فضای مستقیم قابل محاسبه است.
میدان مغناطیسی تولید شده توسط توزیع مغناطیسی نمونه، ممکن است بر ساختار مغناطیسی سوزن اثر بگذارد و برعکس. قدرت این اختلالات (perturbations) متقابل به شرایط تصویرگیری، شکل هندسی و مواد سوزن و نمونه بستگی دارد. بعنوان مثال اگر نمونه یک محیط ذخیره اطلاعات باشد، حالت میکرومغناطیس آن با خطوط میدان سوزن، تغییر چندانی نمی کند ولی ممکن است مغناطش سوزن، از میدان مغناطیسی نمونه اثر بپذیرد. از سوی دیگر در هنگام تصویرگیری از نمونه های مغناطیسی نرم مانند عناصر پرمالوی (permalloy) میکروساختاری یا ساختارهای میکرومغناطیسی نرم مانند ساختارهای میکرومغناطیس ظریف دیواره های حوزه در Fe2O3 از [5]، خطوط میدان سوزن، اغلب بر مغناطش نمونه اثر می گذارد. بنابراین وقتی که توزیع مغناطش سوزن و خطوط میدان نمونه برهم اثر می گذارند، ممکن است توزیع مغناطش سوزن و نمونه، هر دو تابع موقعیت سوزن – نمونه و زمان باشند[3].

2-1- فرآیندهای تشکیل کنتراست
بسته به دامنه تأثیرپذیری مغناطش سوزن و خطوط میدان نمونه، فرآیندهای تشکیل کنتراست در میکروسکوپی نیروی مغناطیسی می تواند به گونه های تقسیم بندی شود:[6]
در حالت اول تا زمانی که مغناطش سوزن و توزیع خطوط میدان نمونه با موقعیت سوزن – نمونه تغییر نکند، می توان کنتراست اندازه گیری شده را بعنوان عملکرد خطی روی خطوط میدان نمونه، توصیف نمود. در حالت دوم توزیع خطوط میدان نمونه بر مغناطش سوزن می تواند با موقعیت سوزن – نمونه تغییر کند . تا زمانیکه تمام تغییرات در سیستم، برگشت پذیرند، کنتراست اندازه گیری شده، فقط تابعی از موقعیت سوزن – نمونه است. در نهایت در حالت سوم توزیع خطوط میدان نمونه یا مغناطش سوزن در طی روبش بصورت برگشت ناپذیر(هیستریک) ، تغییر می کنند. در این حالت کنتراست مشاهده شده، فقط به موقعیت واقعی سوزن – نمونه بستگی دارد نه به موقعیت قبلی سوزن – نمونه.
بنابراین با تلفیق گونه های تأثیر سوزن با گونه های تأثیر نمونه، نه گونه احتمالی برای مکانیزم کنتراست وجود خواهد داشت. علاوه بر این، حتی در مورد تأثیر ناچیز برهمکنشهای اندازه گیری شده سوزن – نمونه، ممکن است حاوی مشارکتهای غیرمغناطیسی باشد که به اشتباه به عنوان منشاء مغناطیسی، تفسیر می شود[3].

2-2- تشکیل تصاویر MFM
کنتراست در تصاویر MFM، نهایتا به توزیع مغناطیس پذیری در نمونه مرتبط می شود. جزئیات شکل گیری تصاویر MFM، می تواند به کمک تقریب زنی برهمکنش (دوقطبی –دوقطبی) بیان شود. در این حالت نمونه مغناطیسی به حجم های اولیه تقسیم میشود که مغناطیس پذیری بوسیله دوقطبی های مغناطیسی

، توصیف می شوند.

شکل1- برهمکنش نمونه – سوزن در یک تقریب دوقطبی[7]

​

​

 

[P O U R I A]

سوزن در ساده ترین مدل، می تواند بعنوان یک دوقطبی منفرد

، تقریب زده شود. سپس مؤلفه z، گرادیان نیرو بوسیله رابطه زیر بیان می گردد:



​

​

​

​

​

​

که میدان مغناطیسی

مربوط به دوقطبی Jth نمونه در رأس سوزن عبارتست از:

​

​

​

با حرکت دادن سوزن در بالای ساختار مغناطیسی در همان ارتفاع و محاسبه تغییر فاز

در هر نقطه، امکان مدل کردن و ساختن تصویر MFM فراهم می شود[7]. نتایج محاسبات مدلسازی تصویر MFM، برای ذرات همگن به شکل استوانه بیضوی در شکل 2، آمده است.

​

​

​

شکل2- مدلسازی تصویر MFM از یک ذره مغناطیسی همگن الف) نحوه توزیع مغناطیس پذیری در ذره
ب) تصویر MFM مربوطه[7]


تصویر آزمایشگاهی MFM از یک آرایه منظم از ذرات مغناطیسی با شکل بیضوی در شکل 3، نشان داده شده است.

شکل3- تصویر MFM از یک آرایه نانوذرات مغناطیسی ایجاد شده بوسیله آنیل کردن اینترفرنشیال لیزری فیلمهایFe-Cr از مرجع [8]
​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک

میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک

در این مقاله به معرفی یکی دیگر از میکروسکوپ های پروبی روبشی، به نام میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، پرداخته خواهد شد. اصول حاکم بر این میکروسکوپ مبنای اپتیکی داشته و لزوم آشنایی با مفاهیمی چون میدان نزدیک و دور؛ و نحوه عملکرد دستگاه در هر دو حالت را می طلبد. از این رو در کنار معرفی این مفاهیم، نحوه عملکرد دستگاه تبیین شده و حالات کاری مهم در آن بطور خلاصه ذکر میگردد.

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
میکروسکوپ های نوری روبشی میدان نزدیک، زیر مجموعه دیگری از مجموعه بزرگ میکروسکوپ های پروبی روبشی هستند که در آنها از یک منبع نوری کوچک با طول موجی کمتر از طول موج نور برای پروب (کاوشگر) روبش کننده استفاده می شود. در این نوع از میکروسکوپ ها، با استفاده از یک فیبر نوری نوک تیز و از طریق بهره گیری از روشی که در آن امواج نوری تداخل مخرب ندارند، امکان مطالعه انواع محیط ها وجود دارد. پروب در ارتفاعی حدود چند نانومتر بالای سطح نمونه حرکت نموده و پس از روشن کردن آن توسط چشمه نور با ابعاد زیر طول موج (sub wavelength) نور مرئی، در محدوده میدان نزدیک (Near-Field ) ، تصاویری با رزولوشن(قدرت تفکیک) بسیار بالاتر از حد پراش (diffraction limit) ، بدست می آورد[1-3].

2- تاریخچه
پس از طرح ایده ادوارد هاتچینسن سینج در سال 1928، درباره وسیله ای که با جمع آوری پراش در میدان نزدیک، ایجاد تصویر نماید، مطالعات متعددی توسط دانشمندان و محققان مختلف از جمله آلبرت انیشتین ، در این زمینه صورت گرفت. در سال 1972 مبانی کاری میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک روبشی(SNOM)، توسط اریک آلبرت اش و نیکولز، با استفاده از امواج با طول موج میکرو و شکستن حد پراش در تئوری ارنست ابه مطرح شد. اولین اندازه گیری های مربوط به اپتیک میدان نزدیک بوسیله دایتر پل، در آزمایشگاه IBM زوریخ سوئیس در سال 1982 میلادی بطور رسمی اعلام شد . نخستین میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک روبشی در سال 1991 توسط اریک بتزیگ و همکارانش در مجله Science، معرفی گردید[2, 4].

3- اصول عملکرد اپتیکی
یکی از قوانین پایه فیزیک نور (اپتیک)، وجود حد پراش است که حداقل اندازه ذره ای (R) را برای اینکه بتواند بوسیله یک سیستم نوری با استفاده از نوری با طول موج λ ، تصویر شود، بصورت زیر تعریف می شود:

که n، ضریب شکست ماده دربرگیرنده ذره مورد نظر است. برای طول موجهای محدوده مرئی، اندازه بحرانی حدود 300-200 نانومتر است.

روش ها و حالات معمولی برای ایجاد تصاویر نوری، بعلت پراش نوری، با محدودیت های ذاتی و اساسی روبرو هستند[2] بسیاری از پدیده های نوری در ابعاد کوچکتر از طول موج نور، رفتار غیر معمولی دارند. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، از تمرکز و بررسی در نواحی بسیار کوچکتر از طول موج نور، ممانعت می نماید. این محدودیت ناشی از برهمکنش امواج الکترومغناطیس و نمونه است که امواج الکترومغناطیس را به دو صورت پراکنده می کند:


​

​

​

الف) امواج پیش رونده با بسامد فصایی کم (<2λ[SUP]-1[/SUP])

ب) امواج پیش رونده با بسامد فصایی کم (>2λ[SUP]-1[/SUP])


محدود کردن نور به فضایی کوچکتر از λ/2 ( نصف طول موج نور که همان حد پراش است)، با استفاده از عدسی های متداول ممکن نیست[3].

 

[P O U R I A]

3-1- میدان دور و میدان نزدیک
تشعشع الکترومغناطیسی که توسط یک دوقطبی الکتریکی ایجاد می شود، که ماهیت نور هم همین است، در واقع از دو قسمت تشکیل شده است که میدان دور (Far Field ) و میدان نزدیک نامیده می شوند. در این راستا، روش نوری کلاسیک، به محدوده میدان دور مربوط است که فقط امواج پیش رونده باقی می مانند، در حالیکه امواج ناپایدار و میرا، مربوط به ناحیه میدان نزدیک، در فاصله کمتر از طول موج نسبت به نمونه، هستند. به عبارت دیگر به قسمت تشعشعی میدان الکترومغناطیس نزدیک به منبع انتشار نور، محدوده ای از فاصله که کمتر از طول موج نور لازم برای روشن کردن سطح نمونه باشد، میدان نزدیک گفته می شود[1, 4, 5].

شکل1- میدان نزدیک و میدان دور در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک[6]


در روش‌های قدیمی اطلاعات مربوط به پرتوی با بسامد فضایی بالا از موج پراش یافته در محدوده میدان دور، از دست می روند و بنابراین آندسته از مشخصه های نمونه که مربوط به فواصل زیر حد طول موج می شود، بازیابی نمی گردند[3]. اما در میکروسکوپی میدان نزدیک، این موانع برطرف شده و روشهای مختلفی برای ایجاد تصویر استفاده می شود. این روشها اجازه غلبه بر محدودیت پراش و دستیابی به رزولوشن فضایی تا مرتبه 10 نانومتر را ایجاد کرده است [2].

به دلیل اینکه انتشار مربوط به میدان نزدیک فقط مربوط به چند نانومتری سطح است، معمولا مورد توجه قرار نگرفته و براحتی قابل آشکارسازی نیست. اما در عین حال محدودیت پراش نیز برای انتشار میدان نزدیک نور اعمال نمی شود. . اساسا میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک از میدان نزدیک استفاده کرده تا بر محدودیت پراش غلبه نماید. این کار با قرار دادن آشکارساز یا منبع نور، معمولا یک فیبر نوری، در نزدیکی سطح نمونه، با فاصله ای کمتر از طول موج، انجام می گردد [4].

3-2- اساس عملکرد اپتیکی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
اساس تولید دستگاه میکروسکوپی میدان نزدیک، بر پایه پدیده عبور نور از میان دیافراگمی با اندازه کوچکتر از طول موج نور (sub wavelength) ، دریچه هایی با قطری بسیار کمتر از طول موج تابشی، است.

شکل2- الف)عبور نور از میان یک دریچه با اندازه زیر طول موج واقع در یک پرده ب) خطوط شدت ثابت تابش نوری در ناحیه دریچه زیر طول موجی[2]


در طی عبور نور از میان یک دریچه با اندازه کوچکتر از طول موج نور، پدیده های گوناگونی مشاهده شده است[7, 8]. میدان الکترومغناطیسی نزدیک دریچه نیز ساختار پیچیده ای دارد، بدین صورت که ناحیه میدان نزدیک دقیقا در پشت دریچه در محدوده Z<100a واقع شده است که در این حالت میدان الکترومغناطیسی موضعی بطور ناپایدار و میرا (evanescent)، و نه پیشرونده، ایجاد می شود. در ناحیه میدان دور(Z>100a)، تنها مدهای تابشی مشاهده می گردد.
​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

قدرت تابش پشت یک این دریچه ، در ناحیه میدان دور، میتوان با فرمول زیر برآورد کرد:



​

​

​

​

در این رابطه k بردار موج و W0 دانسیته توان تابشی است.
برآوردها حاکی از آن است که برای تابشی با طول موج مرتبه 500 نانومتر و دیافراگمهایی با دریچه ای حدود 5 نانومتر، توان تابشی در ناحیه میدان دور به توان ده برابر کمتر از توان تابشی مشخصه است. بنابراین در اولین نگاه بنظر می رسد که استفاده از دریچه های کوچک برای دسترسی به محل مناسب ایجاد تصاویر نوری، از نظر عملی ممکن باشد. اما چنانچه ذره مورد بررسی، دقیقا پشت یک دریچه در ناحیه میدان نزدیک واقع شده باشد، بعلت برهمکنش مدهای ناپایدار و میرا با نمونه، مقداری از انرژی میدان الکترومغناطیسی به مدهای تابشی انتقال می یابد که شدت آن بوسیله یک آشکارساز نوری، قابل ضبط خواهد بود. بنابراین تصویر میدان نزدیک بوسیله روبش نمونه با دیافراگم معرفی شده و توسط ثبت و ضبط نحوه توزیع شدت تابش نور بعنوان یک تابع دو بعدی از موقعیت دیافراگم (I(x,y ، می تواند شکل گیرد.

کنتراست تصویر SNOM، بوسیله فرآیند بازتاب (reflection) ، شکست (refraction) ، جذب (absorption) و پراکنش نور (dispersion of light)، تعیین می شود و در این راستا به خواص نوری موضعی نمونه وابسته است[2].

4- اجزاء دستگاه
اجزای اصلی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، شامل چشمه نور، سوزن روبش کننده، آشکارساز و بلور پیزوالکتریک در کنار یک کنترل کننده و نرم افزار SPM است[3, 4].

شکل3-بلوک دیاگرام نمونه ای از میکروسکوپهای نوری روبشی میدان نزدیک[9]


​

​

 

[P O U R I A]

4-1- چشمه نور
چشمه نور معمولا یک پرتو لیزر است که بوسیله یک پلاریزر polarizer (دو قطبی کننده)، یک شکافنده پرتو (Beam splitter ) و یک جفت کننده (Coupler =کوپل کننده) فیبر، درون یک فیبر نوری متمرکز می شود. لازم به ذکر است که پلاریزر و شکافنده پرتو برای حذف نورهای متفرقه از نور برگشتی و بازتابی بکار می روند.

ابتدا برای جدا کردن رنگ های ناخواسته از نور، نور لیزر از یک فیلتر عبور داده می شود و سپس به منظور کنترل پلاریزاسیون، نور از ترکیب یک صفحه نیم موج و یک صفحه ربع موج عبور داده می شود. سپس این نور به یک فیبر نوری که انتهای آن سوزن SNOM را تشکیل می دهد، هدایت می گردد. معمولا سوزن بر یک لوله پیزو که در حین روبش، فاصله نمونه را با سوزن کنترل میکند، سوار است. نور خروجی از سوزن SNOM، باعث برانگیختگی نمونه و تابش فلوئورسانس شده که با استفاده از روزنه یک عدسی شیئی از قسمت زیر جمع می شود. مابقی نور برانگیخته با استفاده از فلیترها حذف شده و سیگنال فلوئورسانس باقی مانده، بوسیله یک آشکارساز از نوع شمارش فوتونی، ثبت می گردد. در نهایت پس از پردازش رایانه ای، تصویر به نمایش در می آید. شمای کلی دستگاه SNOM، در شکل3و4، نشان داده شده است[3].

​

​

​

شکل4- الف) شمای کلی دستگاه؛ ب)سوزن SNOM از مرجع [10]



4-2- پروب دستگاه SNOM
در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، از یک فیبر نوری استفاده می شود که سر آن تیز شده است. تیز کردن بصورتی انجام می شود که به نور اجازه دهد تا تنها از سر آن وارد شده و به آرامی در فاصله نزدیکی از سطخ نمونه حرکت نماید[1]. بطور کلی در یک سامانه SNOM، پروب نوری معمولا یک فیبر باریک و نوک تیز با پوشش فلزی (آلومینیومی) یا یک پروب توخالی AFM و یا یک میکروپیپت نوک تیز پوشش داده شده با لایه نازک فلزی است. در نوک این پروب، دریچه ای با اندازه کوچکتر از میکرومتر وجود دارد(شکل4- ب)[11].


​

​

​

جدول1- نمونه ای از مشخصات موجود در SNOMهای رایج[10]

​

​

​

 

[P O U R I A]

5- ساز و کار بازخورد
برای آسانتر شدن استفاده از دستگاه میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، و به کار بردن آن برای نمونه هایی با توپوگرافی معمولی، بهتر است که از سازوکارهای بازخوردی استفاده شود. در این صورت در تمام مدت روبش، دریچه در فاصله چند نانومتری از سطح قرار می گیرد که معمولا منجر به تشکیل تصویر با وضوح بالاتر می شود. بطور کلی، دو نوع سازوکاربازخورد برای برقراری فاصله کاری مناسب پروب از نمونه استفاده می شود که در زیر بیان می گردند:.

5-1- سازوکاربازخورد نوع اول
روش اول کاملا شبیه به سامانه بازخورد در AFM است که در آن با استفاده از یک سوزن تیز متصل به تیرک، سطح نمونه روبش می شود. نیروهای درگیر بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف تیرک شده و به کمک انحراف پرتو نور لیزر، نیروهای درگیر بین سوزن و سطح پایش می شوند. با استفاده از روبش سطح بوسیله یک سوزن متصل به تیرک، به کمک انحراف نور، نیروی عمودی وارده به سوزن، پایش می شوند[12].

5-2- سازوکاربازخورد نوع دوم
در روش دوم که معمولا به عنوان بازخورد نیروی برشی معروف است، از یک تیرک تنظیم کننده استفاده می شود. با اتصال به این تیرک تنظیم کننده، که در بسامد تشدیدش نوسان میکند، می توان همزمان با حرکت سوزن روی سطح نمونه، تغییرات دامنه نوسان را پایش کرد. در این روش سوزن بصورت جانبی حرکت می کند[13].
لازم به ذکر است که ساز و کارهای دیگری مانند: تونل زنی در خلاء، سازوکار ظرفیت، تونل زنی فوتونی و بازتاب میدان نزدیک نیز به این منظور استفاده شده است. به عنوان مثال از تونل زنی در خلاء بین یک بخش کوچک فلزی، در انتهایی ترین قسمت جلویی دریچه، و نمونه به عنوان یک سازوکار خودکار برای قرار دادن پروب نوری نزدیک سطح نمونه، بدون تماس با آن، استفاده شده است.
در حال حاضر نیز روش پرکاربرد تنظیم فاصله نمونه با پروب، بر اساس آشکارسازی نیروهای برشی بین انتهای پروب و نمونه، استفاده می شود. در این سیستم ها امکان ثبت نیروی روبشی به تنهایی و یا همزمان با تصویرگیری میدان نزدیک فراهم شده است[3].


6- حالت «نیروی برشی» در رصد فاصله سوزن- سطح در SNOM
در طول کاربرد SNOM، ضروری است سوزن در فاصله ای حدود 10 نانومتر یا کمتر از سطح نمونه نگهداری شود. هرچند این کار با تکنیکهای مختلفی قابل انجام است، اما راه حل رایج و مناسب تر، استفاده از SNOM در حالت به اصطلاح «نیروی برشی(Shear-force ) » است.

شکل5- شماتیک حالت نیروی برشی در فاصله سوزن- سطح و سوار بودن پروب بر یک دیاپازون[2]


اکثر مدهای نیروی برشی، از یک مبدل پیزوالکتریک جهت تحریک دیاپازون(tuning fork)، رزوناتور(resonator) یا تشدیدکننده (شکل5)، استفاده می کنند.
​

​

​

 

[P O U R I A]

سوزن SNOM، به یک تشدیدکننده بلور کوارتز چسبیده است. دیاپازون بوسیله ویبراتور (vibrator =لرزانگر) پیزوالکتریک، با فرکانس نزدیک به فرکانس تشدید سیستم رزوناتور کوارتز- سوزن، شروع به نوسان می کند. لذا از این طریق سوزن حرکات ارتعاشی موازی با سطح نمونه انجام می دهد. اندازه گیری های نیروی برهمکنش سوزن-سطح نمونه، توسط تغییرات دامنه و فاز و با توجه به ولتاژ محرک U(t) اعمالی به الکترودهای پیزو انجام می‌شود.
در هنگام نزدیک شدن سوزن به سطح نمونه اثرات متعددی مشاهده می شود. در ابتدا گونه ای پراکنش اضافی(additional dissipative) ، در برهمکنش سوزن با سطح نمونه، بعلت سایش چسبناک(viscous friction ) ، در لایه ای نازک از هوا نزدیک سطح و در لایه ای نازک از مولکولهای جذب شده(adsorbed ) روی سطح نمونه، رخ می دهد. این پدیده موجب افت کیفی در پارامتر رزونانس (تشدید) و درنتیجه کاهش دامنه نوسان و پهن شدگی پیک تشدید و منحنی پاسخ فازی می گردد[2].

شکل 6- نیروهای پراکنش اثرگذار بر سوزن و ایجاد تغییراتی در حالت نوسانی سوزن نزدیک سطح نمونه[2]
​

​

​

سپس در مرحله دوم، تغییری در حالت نوسانی و در فاصله کم سوزن- سطح رخ می دهد. حالت نوسانی در فواصل بزرگ، با نوسان میله ای با سر آزاد مطابقت دارد؛ در حالیکه در فاصله کوچک، یا با سوزنی در تماس با سطح، حالت نوسانی بصورت نوسان میله ای با سر درگیر، تغییر می کند. این امر باعث افزایش فرکانس تشدید می گردد ؛ بعنوان مثال منحنی فرکانس-دامنه به فرکانسهای بالاتر تغییر می یابد [14, 15]. تغییرات دامنه و فاز نوسانات خمشی در سیستم رزوناتور بعنوان سیگنالهای بازخورد ( feedback)، جهت کنترل فاصله سوزن-نمونه در SNOM، استفاده می شوند[2].

7- رزولوشن در سیستم دستگاهی میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
7-1- تئوری مطرح
از نظر تئوری، رزولوشن نوری یک میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک نامحدود است لیکن از لحاظ عملی، رزولوشن با اندازه دریچه فیبر محدود می شود که معمولا حدود 50 تا 80 نانومتر است.
رزولوشن میکروسکوپ های نوری معمولی، که روشنایی آنها توسط نور معمولی و نه منبع لیزر تأمین می شود، با پدیده پراش نور و بصورت رابطه زیر محدود می شود:

​

​

​

در این رابطه y ، حداقل فاصله بین دو نقطه قابل تشخیص از یکدیگر، λ ، طول موج نور مورد استفاده برای روشنایی و An=nSinσ ضریب دریچه (Numerical aperture) عدسی شیئی میکروسکوپ است. همچنین ، ضریب شکست محیط بین عدسی شیئی و نمونه و ، نصف زاویه دید دریچه از نقطه قرارگیری نمونه می‌باشد. در نتیجه معمولا رزولوشن ضریبی از طول موج یعنی در حدود 0.5 تا 1 میکرومتر است[4]. در عمل معمولا اندازه نصف طول موج نور، حد وضوح را برای میکروسکوپی نوری تعیین می کند.

در روش میدان نزدیک با استفاده از چشمه نور شبه نقطه ای با قطری بسیار کوچکتر از طول موج نور، می توان به وضوحی بهتر از حد پراش دست یافت، اما لازم است که پروب به اندازه کافی، در فاصله ای کمتر از طول موج نور، به سطح نزدیک باشد[3].



7-2- راهکارهای بهبود رزولوشن
برای بدست آوردن وضوح مطلوب در میکروسکوپ SNOM، سطح نمونه بوسیله روزنه ای کوچک که در ارتفاع حدود چند نانومتری بالای سطح قرار دارد، روبش می شود. در این میکروسکوپ، روزنه فوق در انتهای یک فیبر باریک و نوک تیز قرار دارد که نور لیزر با عبور از آن به سطح میرسد[16]. نور گسیل شده از این روزنه به سرعت پراش می یابد و تصویر تمامی نقاط روبش شده از سطح نمونه، ثبت می شود. هنگامی که فاصله بین سطح نمونه و روزنه به اندازه کسر کوچکی از اندازه روزنه باشد، وضوح تصویر به طول موج نور مرتبط نیست و به اندازه روزنه بستگی دارد. با این روش وضوحی خیلی بیشتر از آنچه که با میکروسکوپهای متداول حاصل می شود، قابل ثبت است. برای بدست آوردن وضوح بالا، برای مثال از مرتبه 25nm، حدود λ/20 ، قطر دریچه باید در ابعاد نانومتر باشد و در فاصله کمتر از 10 نانومتری سطح نمونه قرار گیرد. زیرا با افزایش فاصله(s)، از دریچه، امواج میرا بسرعت مستهلک شده و شدت میدان (I)، به نسبت عکس توان چهارم فاصله کاهش می یابد

. این رابطه که در محدوده میدان نزدیک معتبر است، متفاوت از رفتار موج در میدان دور است که در آن شدت میدان با توان دوم فاصله نسبت عکس دارد[3].

اساسا برای بهبود رزولوشن در میکروسکوپ، راههای مختلفی دیگری نیز وجود دارد. می توان با قراردادن محیطی با ضریب شکست بالاتر بین نمونه و عدسی شیئی، معمولا روغنی با ضریب شکست حدود 1.4، رزولوشن را کمی بهبود بخشید.

راه دیگر، استفاده از پرتویی با طول موج بسیار کوتاه تر است. میکروسکوپUV مثالی از این روش است که برای بهبود رزولوشن، از نور UV برای روشنایی استفاده می کند. مثال دیگر میکروسکوپ الکترونی است که از این حقیقت که طول موج الکترونها بسیار کوتاهتر از نور است، بهره می برد[4].

 

[P O U R I A]

در مقاله پیشین، میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک معرفی گردید و اجزاء و نحوه عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفت. در همین راستا در مقاله حاضر، جنبه های مختلف کاری دستگاه بطور کاملتری بیان شده و قابلیتها و محدودیت های مطرح در آن، مورد بررسی قرار خواهند گرفت. مقایسه بین میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک با دیگر میکروسکوپهای نوری، تونلی روبشی و نیروی اتمی و بیان کاربردها از دیگر بخش های مقاله حاضر خواهد بود.

 

[P O U R I A]

1- حالات کاری دستگاه SNOM
بسته به نوع نمونه و حالت عملکردی بدون دریچه و یا با دریچه، چند حالت کاری برای میکروسکوپ SNOM وجود دارد[1]. شکل 1 این حالت های کاری را نشان می دهد.

شکل1- الف) سوزنهای پوشش دار؛ ب)سوزنهای تیز بدون پوشش[2]

1-1- میکروسکوپ میدان نزدیک روبشی دریچه ای:
اولین سیستم میکروسکوپی روبشی میدان نزدیک، نوع دریچه ای (A-SNOM= Aperture SNOM) است. با وجود مشکلات فراوان در رابطه با سوزنهای دریچه دار؛ نظیر گرم شدن، عیوب زمان ساخت، کنتراست، حساسیت، توپولوژی و تداخل؛ این حالت کاری هنوز از محبوبیت زیادی برخوردار است و تصاویر بسیار خوبی را با وضوح بالا تهیه می کند[3] در SNOM با دریچه، پنج حالت کاری تابش، جمع آوری، تابش-جمع آوری، بازتاب و بازتاب-جمع آوری را می توان استفاده کرد[1].

شکل2- پروبهای هرمی شکل میان تهی میدان نزدیک الف)تصویر میکروسکوپ الکترونیSEM از سوزن هرمی شکل سوار بر کانتیلور ب)دریچه با قطر 120 نانومتر بزرگنمایی بیشتر تصویر[4]



1-2- میکروسکوپی روبشی میدان نزدیک بدون دریچه:
حالت کاری دیگری که امروزه استفاده می شود، حالت بدون دریچه است. سوزن های استفاده شده در مدل بدون دریچه، بسیار تیز هستند و پوشش فلزی ندارند. تجهیز و استفاده از این حالت نیز پیچیده تر است.

شکل3- تصویر سوزن SNOM از مرجع [5]




در SNOM بدون دریچه، چهارحالت تونل زنی فوتونی(PSTM) استفاده می شود که عبارتند از[1]:
- حالت تونل زنی فوتونی (PSTM) بوسیله سوزن شفاف تیز
- حالت تونل زنی فوتونی (PSTM) بوسیله سوزن مات
- حالت تداخلی
- حالت تابش-بازتاب


​

​

​

​

 

[P O U R I A]

در شکل4،چند حالت کاری مرسوم این دستگاه نشان داده شده است.

شکل4- حالات متفاوت کاری در SNOM: الف)عبوری ؛ ب) جمع آوری ؛ ج) بازتابی ؛ د)عبوری- جمع آوری؛ هـ)میکروسکوپی تونل زنی فوتونی روبشی[6].



1-3- بررسی حالات رایج کاری
1-3-1- حالت عبوری:
پرتوی نور با عبور از میان دریچه پروب، از نمونه نیز عبور کرده و زیر نمونه جمع می شود. این حالت عملکرد برای نمونه های شفاف کاربرد دارد[1].

شکل5- شمای کلی دستگاه در حالت عملکرد عبوری[6]




1-3-2- حالت بازتابی:
پرتوی نور از یک پروب دی الکتریک به سوی نمونه می تابد. سپس نور بازتاب شده بوسیله عدسی، در میدان دور، و یا بوسیله خود پروب فیبری، در این حالت اغلب سوزنهای فیبری بدون پوشش استفاده می شوند، جمع آوری می گردد. شدت نور در این حالت کمتر است و بستگی به سوزن دارد. این حالت کاری فقط برای نمونه های مات قابل استفاده است[1].

شکل6- شمای کلی دستگاه در حالت عملکرد بازتابی[6]

 

[P O U R I A]

1-3-3- حالت جمع آوری:
نمونه بوسیله منبع نوری بزرگ بیرونی، میدان دور، روشن شده و پروب، نور بازتاب شده را جمع آوری می کند.
این حالت کاری برای پایش الکترولومینسانس مناسب است که در آن، برانگیختگی تابش بصورت الکتریکی صورت می گیرد و بوسیله سوزن SNOM جمع آوری می شود[1].

شکل7- شمای کلی دستگاه در حالت عملکرد جمع آوری[6]



1-3-4- حالت نوردهی - جمع آوری:
سیستم دیگری نیز وجود دارد که ساده ترین حالت کاری محسوب می شود و در آن پروب، هم به نمونه تابش میکند، نمونه توسط فیبر نوری روشن می شود، و هم نور بازتابی را جمع آوری می کند. در این حالت که "حالت نوردهی – جمع آوری " است، "حالت انعکاسی" نیز نامیده می شود. در این حالت فیبر هم بعنوان منبع نور و هم جمع آوری کننده نور عمل می کند. بنابراین هر دو وظیفه نوردهی(روشنایی) و جمع آوری نشر میدان نزدیک نمونه، توسط سوزنی مشابه شکل15، انجام می پذیرد. نور بازتابی از طریق یک جداکننده پرتو (Beam splitter) به یک دیود نوری می رود. در اینجا نور به یک جریان الکتریکی تبدیل می شود. بدین صورت در این سامانه پرتو نور، دو بار از میان یک دریچه با اندازه ای کوچکتر از طول موج عبور می کند. در نتیجه، سیگنالی که به آشکارساز نوری می رسد، شدت بسیار کمی دارد. از این رو روشهای تشخیصی با حساسیت بالا نیاز است. چنین ترکیبی از منبع میدان نزدیک با دریافت کننده میدان نزدیک، روش تقریبا نوید بخشی است که رزولوشن فضایی بالایی را تأمین می کند. به کمک این مجموعه می توان به عنوان مثال شدت انعکاس یا فوتولومینسانس نمونه را اندازه گیری نمود. کاربرد دیگر آن اندازه گیری انتشار نور در بلورهای فوتونیک یا هدایت کننده های موجی (Wave guiding) در ساختارهای لیزری است.

برای اندازه گیری فوتولومینسانس، معمولا جهت اجتناب از رسیدن نور لیزر اولیه به آشکارساز، یک مانع قرار داده می شود. می توان با SNOM، نمونه را روبش کرده طیف نوری هر نقطه از سطح نمونه را جمع آوری نمود تا تمام اطلاعات ممکن بدست آید. در حالت انعکاسی تنها تنظیم لازم کوپل کننده فیبر (Fiber coupler) است که در اینجا باید دقیقا در نوک فیبر متمرکز شود[1, 7-9].

شکل8- شماتیک SNOM، زمانیکه هر دو عمل نوردهی و جمع آوری پرتو نشری، بوسیله یک سوزن انجام می شود[9].

 

[P O U R I A]

1-3-5- حالت میکروسکوپی تونل زنی روبشی فوتونی(اپتیکی):
اساس عملکرد در این حالت، بسیار شبیه میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)، است و شدت نور آشکار شده بصورت نمایی با افزایش فاصله سوزن – نمونه، افت می کند و از این رو به STM فوتونی (PSTM= Photon Scanning Tunneling Microscopy)، معروف شده است.

یک پروب دی الکتریک، با سوزن شفاف بدون پوشش، موج ناپایدار و میرای بوجود آمده در سطح نمونه در اثر بازتاب کلی داخلی را خنثی می کند. در واقع سوزن پروب، به عنوان پراکنده کننده میدان ناپایدار و میرا عمل می کند. قرار دادن نمونه روی سطح دی الکتریک، خصوصیات میدان میرا را تغییر می دهد. هنگام روبش سطح نمونه بوسیله سوزن متصل به بلور پیزوالکتریک، تونل زنی فوتون ها بین سوزن و نمونه، تقویت شده، بوسیله تقویت کننده فوتونی که به انتهای دیگر فیبر متصل است، و بوسیله آشکارساز تشخیص داده می شود. در این حالت اگرچه بکاربردن SNOM آسان است، ولی تفسیر داده ها مشکل خواهد بود[1].

​

​

شکل9- شمای کلی دستگاه میکروسکوپ تونل زنی فوتونی روبشی. میدان میرای مدوله شده توسط نمونه و باریکه پرتو بازتابش کلی به درون شده، قابل ردیابی است.[3]


با وجود تفاوتهای کوچک در طراحی، همه میکروسکوپ های SNOM ویژگی مشترکی دارند. به عنوان نمونه، در همه آنها سوزن نازک نانومتری به عنوان چشمه برانگیختگن فلوئورسانس و جمع کننده نور استفاده می شود. همچنین سازوکاری مشابهی جهت قرار دادن و نگه داشتن سوزن در فاصله نانومتری از سطح نمونه در حال روبش وجود دارد[1].

​

​

شکل10- توپوگرافی نیروی برشی(چپ) و تصویر نوری میدان نزدیک(راست) از نمونه ای با نقاط کوانتومی InAs. از مرجع [10]


تصویر توپوگرافی AFM/SNOM از نمونه InAs/GaAs، با نقاط کوانتومی بدست آمده بوسیله یک میکروسکوپ با عملکردی مشابه شکل4– ب ، در شکل 9، نشان داده شده است. در این روش، از لیزرHeCd با طول موج (λ=442nm) ، استفاده شده است. تصویر نوری میدان نزدیک، انباشتگی تابشهای بازتابیده از سطح نمونه و نشر لومینسانس (luminescent emission)، را نشان می دهد که با گذار بین سطوح کوانتایز شدن ابعادی، در نقاط InAs، مطابقت دارد. اضافه یک تکفام کننده (monochromator) به میکروسکوپ اجازه می دهد که مطالعات طیف سنجی موضعی نیز انجام پذیرد[9].




​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

2- شباهتها و تفاوتهای میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک با دیگر میکروسکوپها
2-1- مقایسه SNOM با میکروسکوپ نوری
همانطور که در گذشته نیز بحث شد، میکروسکوپهای نوری، دارای یک حد نهایی هستند که به آن حد پراش گفته می شود و محاسبات ریاضی آن در سال 1870 توسط ارنست ابه انجام شده است. کوچکترین شیئی که می توان آنرا با استفاده از بهترین میکروسکوپ نوری مشاهده نمود، باید از نصف طول موج نوری که برای دیدن آن استفاده می شود، بزرگتر باشد. در میکروسکوپهای نوری روبشی میدان نزدیک، این حد شکسته شده است و می توان به رزولوشنهایی کمتر از 10 نانومتر و مستقل از طول موج بکار گرفته شده، دست پیدا کرد.[7]
دو تفاوت اصلی بین روش میکروسکوپی میدان نزدیک و روش مرسوم میکروسکوپی میدان دور وجود دارد:
در میکروسکوپی میدان نزدیک، ناحیه برهمکنش در هر لحظه بسیار کوچکتر از ناحیه برهمکنش در میکروسکوپی میدان دور است؛ همچنین در میکروسکوپی میدان نزدیک، فاصله بین چشمه نور و نمونه، کمتر از طول موج است؛ در حالیکه در میکروسکوپی میدان دور، این فاصله بیشتر است[11].
SNOM تنها دستگاهی است که اندازه گیری های نوری را با رزولوشنی به مراتب بهتر از آنچه که طول موج نور مورد استفاده برای روشنایی و یا آشکارسازی اجازه می دهد، امکان پذیر می سازد. اما برخلاف میکروسکوپ نوری، که کار با آن ساده است، نتایج بدست آمده از SNOM نیاز به ارزیابی دقیق دارد. غالبا تشخیص و خطاهای اندازه گیری، بسیار مشکل است. در اینجا استفاده از طیف نگاری میدان نزدیک (Spectroscopic SNOM ) ، که نه تنها چگالی نور را بلکه طیف نوری کامل نور برگشتی از نمونه را آشکار می سازد، کار را بسیار آسانتر می کند.
SNOM به یک آشکارساز نوری بسیار حساس نیز نیاز دارد زیرا اندازه سطحی که نور از آن آشکار می شود بسیار کوچک است. وقتی از یک تکرنگ ساز (monochromator) برای جداسازی طول موجهای مختلف استفاده می شود، آشکارساز باید به اندازه کافی حساس باشد تا سیگنالی را که شامل فقط چند فوتون در میلی ثانیه باشد، شناسایی کند.
بطور خلاصه، فقط وقتی از SNOM برای اندازه گیری های اپتیکی استفاده می شود که به رزولوشن نوری بالاتری نسبت به میکروسکوپ معمولی، میدان دور، نیاز است.

2-2- مقایسه SNOM با میکروسکوپ نیروی اتمی
علیرغم این حقیقت که SNOM یک میکروسکوپ نوری است، به میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM) بیشتر شباهت دارد تا به میکروسکوپ های نوری متداول. SNOM هم مثل AFM توپوگرافی سطح نمونه را با رزولوشن بسیار بالا در جهت عمودی، آنالیز می کند.
تفاوت SNOM و AFM در پروبی است که برای روبش سطح استفاده می گردد. AFM از یک " کانتی لور" برای حس کردن توپوگرافی استفاده می کند. اهرم بازویی معمولا یک قطعه سیلیسیم با سوزن بسیار تیز است که بصورت مکانیکی سطح را روبش می کند. این در حالیاست که در SNOM به جای سوزن بسیار تیز معمولا از فیبر نوری استفاده می شود.
برخلاف AFM، فیبر نوری نه تنها برای آنالیز توپوگرافی بلکه برای برانگیختگی اپتیکی، آشکارسازی نوری و یا هر دو اینها به کار می رود که به مجموعه SNOM مورد استفاده بستگی دارد.
بر خلاف AFM، SNOM فقط می تواند در حالت دینامیکی کار کند، یعنی سوزن در فرکانس رزونانس خود ارتعاش می کند و فاصله سوزن تا سطح توسط میزان کاهش ارتعاش (damping) اندازه گیری می شود.

AFM و SNOM نه تنها در نوع پروب، بلکه در جهت ارتعاش نسبت به سطح نمونه و همچنین اصول آشکارسازی ارتعاش، با هم تفاوت دارند( سوزن SNOM به دلیل طول نسبتا زیادش برای این کار در زیر سطح مایع نیز مناسب است). جهت اجتناب از تداخل در اندازه گیری های اپتیکی، ارتعاش SNOM بصورت مکانیکی آشکار می شود.
یکی دیگر از تفاوت های میکروسکوپ های SNOM با AFM، در نوع سوزن روبشگر است. سوزن دستگاه AFM، از جنس سیلیکون و سوزن دستگاه SNOM، از یک فیبر نوری تشکیل شده است. برخلاف میکروسکوپ AFM، سوزن دستگاه SNOM، علاوه برتعیین توپوگرافی سطح، برای نوردهی سطح نمونه نیز بکار می رود. در شکل10، دستگاه SNOM با دستگاه AFM مقایسه شده است[8, 12, 13].


​

​

​

​

شکل11- مقایسه سوزن دستگاههای الف)AFM ب)SNOM
​

​

​

​

 

[P O U R I A]

2-3- مقایسه SNOM با میکروسکوپ تونلی روبشی
امروزه برای SNOM رزولوشن حدود 50 نانومتر به اثبات رسیده است. که نسبت به STM و AFM در سطح پایینتری قرار دارد. اما SNOM اطلاعات ارزشمندی که فقط با کنتراست نوری قابل دسترسی است را در اختیار می گذارد و می بایست SNOM را به عنوان یک ابزار مکمل در نظر گرفت.
در روش SNOM، همانند میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)، تصویرگیری در دوحالت شدت جریان ثابت و ارتفاع ثابت انجام می گیرد[8, 12]. اما در میکروسکوپهای پروبی روبشی نظیر STM و AFM، شکل و خواص الکترونیکی نمونه و در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، سیگنالهای نوری مورد بررسی قرار می گیرد[7].

3- مزایای استفاده از میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
از مزایای میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک ، می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- با بکارگیری خواص امواج ناپایدار و میرا، محدودیت تفکیک میدان دور، در روش میکروسکوپی نوری میدان نزدیک برداشته شده و در ناحیه میدان نزدیک، حد پراش، به آسانی پشت سر گذاشته می شود.
- در بررسی سطح نمونه با استفاده از یک میکروسکوپ در ناحیه میدان نزدیک، وضوح بالایی بدست می آید. لازم به ذکر است که وضوح تصویر بدست آمده، به طول موج نور تابشی وابسته نیست بلکه به اندازه دریچه آشکارساز مربوط می شود. بعلاوه میتوان با ایجاد تغییر در ابعاد ساختار و استفاده از روزنه ها یا شکافهای کوچک در نزدیک نمونه مورد بررسی، وضوح بالاتری نیز بدست آورد.
- می توان از میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، در هر نوع محیطی استفاده نمود، بدون اینکه نیاز به انجام فرآیند آماده سازی خاصی بروی نمونه باشد.
- در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، از سیگنال های نوری استفاده شده و نمونه مورد نظر عملا مشاهده می شود، در حالیکه در میکروسکوپهای پروبی روبشی نظیر STM و AFM، شکل و خواص الکترونیکی نمونه مورد بررسی قرار می گرفت.
- اندازه گیری های طیف نگاری در میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، امکان پذیر است.
- در روش میکروسکوپی نوری میدان نزدیک، عملا سوزن دستگاه با نمونه برخورد نمی کند. به همین دلیل این روش جزء روشهای تست غیر مخرب (NDT= Non-Distructive Testing)، طبقه بندی می شوند[7].

4- محدودیت های کاری روش میکروسکوپی نوری میدان نزدیک
روش میکروسکوپی نوری میدان نزدیک، با وجود برخورداری از مزایایی که در فوق ذکر شد، با محدودیت هایی نیز روبروست که از جمله عبارتند از:
- محدوده کاری خیلی کم و عمق کم میدان؛
- محدود به مطالعه سطح ماده؛
- برای مطالعه مواد نرم، به ویژه در حالت کاری نیروی برشی مناسب نیست؛
- برای نمونه های بزرگ و در تصویرگیری با وضوح بالا، زمان روبش طولانی است؛
- در نمونه هایی مانند مواد نیمرسانا، بدلیل نیاز به برقراری حساسیت مناسب و وضوح طیفی خوب در برخی موارد، دمای کاری پایین الزامی است. در چنین شرایطی مشکلات فنی در آزمایش های SNOM به وجود می آید. در این حالت، پروب SNOM باید برای کار در دمای پایین نیز تطابق داشته باشد[14]. از سوی دیگر، سازوکار بازخورد نیروی برشی نیز باید برای کار در دمای پایین مناسب باشد و یا نمونه باید به قدر کافی مسطح باشد تا تصویرگیری در ارتفاع ثابت میسر گردد.

5- کاربردهای میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک
در چند سال اخیر، روش SNOM بطور گسترده ای در زمینه مشخصه یابی نانومواد بکار برده شده است. این روش را می توان با همه روشهای معروف در میکروسکوپی نوری کلاسیک مانند روش لومینسانس، پلاریزاسیون و همچنین روش تضاد رنگ، ترکیب نمود و بنابراین میتوان از مزیت روش های متداول تصاد رنگ و وضوح بالاتر بهره برد.

سازوکارهای نوری از نوع تضاد رنگ که بوسیله SNOM، امکان پذیر هستند، شامل جذب، فلوئورسانس، پلاریزاسیون، صریب شکست و رسانش الکتریکی نوری هستند. به اینصورت که با تغییر در پلاریزاسیون نور یا شدت نور بصورت تابعی از طول موج ورودی، می توان از روشهای تضاد رنگاستفاده نمود[2, 15, 16]، یا تضاد رنگ را با استفاده از تغییر در ضریب شکست، ضریب بازتاب،تنش موضعی، ساختار شیمیایی و خواص مغناطیسی فراهم کرد. از این روش همچنین در مطالعه خواص دینامیکی در محدوده زیر طول موج می توان استفاده نمود.
SNOM با وضوح بالا، برای بررسی نوری ساختارهای غیر همگن نیمه رسانا- با ابعاد حدود 100 نانومتر، بخوبی قابل استفاده است. بوسیله روش SNOM جمع آوری کننده، میتوان آنالیزهای فتولومینسانس (SRPL= Spatial Resolution Photoluminescence) را با وضوح بالا انجام داد که امکان برسی جزئیات ساختارها را فراهم می سازد. در این زمینه نقاط کوانتومی، گزینه های مطلوبی هستند زیرا دارای تراز انرژی مجزا بوده و خطوط فتولومینسانس باریکی را ایجاد می نمایند.

به کمک دستگاه SNOM، تصاویر بسیار خوبی از توپوگرافی نمونه ها با رزولوشن عمودی خوب، بدست می آید. از دیگر کاربردهای SNOM، تهیه تصاویر با رزولوشن بالا از سلولها، بررسی ساختار فازها در پلیمرهای لایه ای و بررسی ساختار داخلی ژلهای پلیمری است. از این دستگاه همچنین در لیتوگرافی نوری برای نوشتن استفاده می شود. در واقع میتوان توپوگرافی و خواص فیزیکی سطوح حساس نوری مانند مقاومتهای نوری را به کمک پالسهای لیزری گسیل شده از پروب SNOM تغییر داد، که در نتیجه وضوحی که بوسیله سیستمهای لیزری و نوری متداول غیرممکن است، بوسیله SNOM بدست می آید[17].

به صورت خلاصه بعضی از کاربردهای دستگاه SNOM عبارتند از[12]:
- تهیه تصاویر با رزولوشن بالا از سلول‌ها
- بررسی ساختار فازها در پلیمرهای لایه‌ای
- بررسی ساختار داخلی ژل‌های پلیمری
- شکل‌دهی پلیمر توسط میکروسکوپ نوری میدان –نزدیک
- اسپکتروسکوپی تک مولکول‌ها توسط SNOM