निकट-क्षेत्र स्कैनिंग प्रकाशीय माइक्रोस्कोप

निकट-क्षेत्र स्कैनिंग प्रकाशीय माइक्रोस्कोपी (एनएसओएम) या स्कैनिंग निकट-क्षेत्र प्रकाशीय माइक्रोस्कोपी (एसएनओएम) नैनोस्ट्रक्चर जांच के लिए एक माइक्रोस्कोपी तकनीक है जो अपवर्तक तरंगों के गुणों का लाभ उठाकर दूर क्षेत्र विभेदन सीमा को तोड़ देती है। एसएनओएम (SNOM) में, उद्दीपन लेजर प्रकाश को उद्दीपन तरंग दैर्ध्य से छोटे व्यास वाले एपर्चर के माध्यम से केंद्रित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एपर्चर के दूर की ओर अपवर्तक क्षेत्र (या निकट-क्षेत्र) होता है। जब नमूना एपर्चर के नीचे एक छोटी दूरी पर स्कैन किया जाता है, तो प्रेषित या परावर्तित प्रकाश का प्रकाशीय विभेदन केवल एपर्चर के व्यास तक सीमित होता है। विशेष रूप से, 6 एनएम (nm) का पार्श्व विभेदन और 2-5 एनएम का ऊर्ध्वाधर विभेदन प्रदर्शित किया गया है।

प्रकाशीय माइक्रोस्कोपी की तरह, विभिन्न गुणों, जैसे अपवर्तक सूचकांक, रासायनिक संरचना और स्थानीय तनाव का अध्ययन करने के लिए विभेद तंत्र को आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है। इस तकनीक का उपयोग करके गतिशील गुणों का अध्ययन उप-तरंगदैर्ध्य पैमाने पर भी किया जा सकता है।

एनएसओएम/एसएनओएम स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी का एक रूप है।

इतिहास
एडवर्ड हचिंसन सिंज को एक ऐसे प्रतिबिंबन उपकरण के विचार को विकसित करने और विकसित करने का श्रेय दिया जाता है जो निकट क्षेत्र में रोमांचक और एकत्रित विवर्तन द्वारा प्रतिबिम्ब तैयार करेगा। 1928 में प्रस्तावित उनका मूल विचार, लगभग 100 एनएम के छोटे छिद्र के साथ एक पतली, अपारदर्शी धातु की फिल्म के पीछे दाब में चाप से तीव्र लगभग समतल प्रकाश के उपयोग पर आधारित था। छिद्र को सतह के 100 एनएम के भीतर रहना था, और जानकारी बिंदु-दर-बिंदु स्कैनिंग द्वारा एकत्र की जानी थी। उन्होंने अनुमान लगाया कि प्रकाश और संसूचक की गतिविधि सबसे बड़ी तकनीकी कठिनाइयां हैं। जॉन ए. ओ'कीफ ने भी 1956 में इसी तरह के सिद्धांत विकसित किये थे। उन्होंने सोचा कि जब पिनहोल या संसूचक नमूने के इतना समीप होगा तो उसका गतिमान सबसे संभावित मुद्दा होगा जो ऐसे उपकरण की प्राप्ति को रोक सकता है। यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन में ऐश और निकोलस ही थे, जिन्होंने 1972 में प्रथम बार 3 सेमी की तरंग दैर्ध्य के साथ माइक्रोवेव विकिरण का उपयोग करके एबे की विवर्तन सीमा को तोड़ा था। λ0/60 के विभेदन के साथ रेखा ग्रेटिंग का समाधान किया गया था। एक दशक बाद, डाइटर पोहल द्वारा प्रकाशीय निकट-क्षेत्र माइक्रोस्कोप पर पेटेंट दायर किया गया, इसके बाद 1984 में प्रथम पेपर आया जिसमें निकट क्षेत्र स्कैनिंग के लिए दृश्य विकिरण का उपयोग किया गया था। निकट-क्षेत्र प्रकाशीय (एनएफओ) माइक्रोस्कोप में धातु से लेपित तेज नुकीली पारदर्शी नोक के शीर्ष पर उप-तरंग दैर्ध्य एपर्चर और नमूने और जांच के बीच कुछ नैनोमीटर की निरंतर दूरी बनाए रखने के लिए प्रतिक्रिया तंत्र सम्मिलित होता है। लुईस एट अल. इस समय एनएफओ माइक्रोस्कोप की क्षमता से भी अवगत थे। उन्होंने 1986 में उच्च-विभेदन की पुष्टि करते हुए प्रथम परिणाम की सूचना दी थी। दोनों प्रयोगों में, 50 एनएम (लगभग λ0/10) से कम आकार के विवरण को पहचाना जा सका।

सिद्धांत
1873 में विकसित एब्बे के प्रतिबिंब निर्माण के सिद्धांत के अनुसार, प्रकाशीय घटक की संकल्प क्षमता अंततः विवर्तन के कारण प्रत्येक प्रतिबिंब बिंदु के विस्तार से सीमित होती है। जब तक प्रकाशीय घटक का एपर्चर सभी विवर्तित प्रकाश को एकत्रित करने के लिए पर्याप्त बड़ा नहीं होता, तब तक प्रतिबिंब के सूक्ष्म स्वरूप वस्तु के बिल्कुल अनुरूप नहीं होंगे। प्रकाशीय घटक के लिए न्यूनतम विभेदन (डी) इस प्रकार इसके एपर्चर आकार द्वारा सीमित है, और रेले मानदंड द्वारा व्यक्त किया गया है-


 * $$ d = 0.61 \frac{\lambda_0}{N\!A} \;\!$$

यहाँ, λ0 निर्वात में तरंग दैर्ध्य है एनए (NA) प्रकाशीय घटक (बहुत उच्च आवर्धन कारक के साथ आधुनिक उद्देश्यों के लिए अधिकतम 1.3-1.4) के लिए संख्यात्मक एपर्चर है। इस प्रकार, पारंपरिक प्रकाशीय माइक्रोस्कोपी के लिए विभेदन सीमा प्रायः λ0/2 के आसपास होती है।

यह उपचार केवल प्रकाश को सुदूर क्षेत्र में विवर्तित मानता है जो बिना किसी प्रतिबंध के प्रसारित होता है। एनएसओएम अप्रवर्तनशील या गैर-प्रसारित क्षेत्रों का उपयोग करता है जो केवल वस्तु की सतह के पास उपस्थित होते हैं। ये क्षेत्र वस्तु के बारे में उच्च आवृत्ति वाली स्थानिक जानकारी रखते हैं और इनमें तीव्रताएं होती हैं जो वस्तु से दूरी के साथ तीव्रता से घटती हैं। इस वजह से, संसूचक को निकट क्षेत्र ज़ोन में नमूने के बहुत समीप रखा जाना चाहिए, प्रायः कुछ नैनोमीटर की दूरी पर। परिणामस्वरूप, निकट क्षेत्र माइक्रोस्कोपी मुख्य रूप से सतह निरीक्षण तकनीक बनी हुई है। फिर संसूचक को दाब वैद्युत् चरण का उपयोग करके नमूने में घुमाया जाता है। प्रतिक्रिया तंत्र का उपयोग करके स्कैनिंग या तो स्थिर ऊंचाई पर या विनियमित ऊंचाई पर की जा सकती है।

एपर्चर और एपर्चर रहित संचालन
एनएसओएम उपस्थित है जिसे तथाकथित एपर्चर मोड में संचालित किया जा सकता है और एनएसओएम को गैर-एपर्चर मोड में संचालित किया जा सकता है। जैसा कि चित्रित किया गया है, एपर्चरलेस मोड में उपयोग की जाने वाली युक्तियाँ बहुत तेज होती हैं और उन पर धातु का आवरण नहीं होता है।

यद्यपि एपर्चर युक्तियों (ताप, आर्टिफैक्ट, विभेद, संवेदनशीलता, सांस्थितिकी और अन्य के बीच व्यतिकरण) से जुड़े कई मुद्दे हैं, एपर्चर मोड अधिक लोकप्रिय बना हुआ है। इसका मुख्य कारण यह है कि एपर्चरलेस मोड को स्थापित करना और संचालित करना और भी अधिक जटिल है, और इसे समझा भी नहीं जाता है। एपर्चर एनएसओएम संचालन के पांच प्राथमिक मोड और एपर्चर रहित एनएसओएम संचालन के चार प्राथमिक मोड हैं। प्रमुख को अगले चित्र में दर्शाया गया है।

कुछ प्रकार के एनएसओएम संचालन में कैंपैनाइल जांच का उपयोग किया जाता है, जिसमें वर्गाकार पिरामिड आकार होता है जिसके दो स्वरूप धातु से लेपित होते हैं। ऐसी जांच में उच्च संकेत संग्रह दक्षता (>90%) होती है और कोई आवृत्ति कटऑफ नहीं होता है। एक अन्य विकल्प "सक्रिय अग्रभाग" योजनाएं हैं, जहां अग्रभाग को सक्रिय प्रकाश स्रोतों जैसे प्रतिदीप्त रंजक या यहां तक ​​कि प्रकाश उत्सर्जक डायोड के साथ क्रियाशील किया जाता है जो प्रतिदीप्ति उद्दीपन को सक्षम बनाता है।

एपर्चर और एपर्चर रहित एनएसओएम संरूपण के गुणों को हाइब्रिड जांच डिजाइन में विलय किया जा सकता है, जिसमें पतले प्रकाशीय फाइबर के किनारे से जुड़ा धात्विक अग्रभाग होता है। दृश्यमान सीमा (400 एनएम से 900 एनएम) पर, आपतित प्रकाश का लगभग 50% अग्रभाग शीर्ष पर केंद्रित किया जा सकता है, जो त्रिज्या में लगभग 5 एनएम है। यह हाइब्रिड जांच अग्रभाग शीर्ष पर अग्रभाग-संवर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (टीईआरएस) का अनुभव करने के लिए फाइबर के माध्यम से उद्दीपन प्रकाश प्रदान कर सकती है, और उसी फाइबर के माध्यम से रमन संकेतों को एकत्र कर सकती है। लेंस-मुक्त फ़ाइबर-इन-फ़ाइबर-आउट एसटीएम-एनएसओएम-टीआरएस (STM-NSOM-TERS) का प्रदर्शन किया गया है।

प्रतिक्रिया तंत्र
प्रतिक्रिया तंत्र का उपयोग आमतौर पर उच्च रिज़ॉल्यूशन और विरूपण साक्ष्य मुक्त छवियों को प्राप्त करने के लिए किया जाता है क्योंकि टिप को सतहों के कुछ नैनोमीटर के भीतर स्थित होना चाहिए। इनमें से कुछ तंत्र निरंतर बल प्रतिक्रिया और कतरनी बल प्रतिक्रिया हैं

निरंतर बल प्रतिक्रिया मोड परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) में प्रयुक्त प्रतिक्रिया तंत्र के समान है। प्रयोग संपर्क, आंतरायिक संपर्क और गैर-संपर्क मोड में किए जा सकते हैं।

कतरनी बल प्रतिक्रिया मोड में, एक ट्यूनिंग कांटा टिप के साथ लगाया जाता है और इसकी प्रतिध्वनि आवृत्ति पर दोलन करने के लिए बनाया जाता है। आयाम टिप-सतह की दूरी से निकटता से संबंधित है, और इस प्रकार एक प्रतिक्रिया तंत्र के रूप में उपयोग किया जाता है।

कंट्रास्ट
NSOM के माध्यम से ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के लिए उपलब्ध विभिन्न कंट्रास्ट तकनीकों का लाभ लेना संभव है, लेकिन बहुत अधिक रिज़ॉल्यूशन के साथ। प्रकाश के ध्रुवीकरण (तरंगों) में परिवर्तन या घटना तरंग दैर्ध्य के एक समारोह के रूप में प्रकाश की तीव्रता का उपयोग करके, धुंधला, प्रतिदीप्ति, चरण विपरीत माइक्रोस्कोपी और अंतर हस्तक्षेप विपरीत जैसे विपरीत बढ़ाने वाली तकनीकों का उपयोग करना संभव है। दूसरों के बीच अपवर्तक सूचकांक, परावर्तकता, स्थानीय तनाव और चुंबकीय गुणों में परिवर्तन का उपयोग करके विपरीतता प्रदान करना भी संभव है।

इंस्ट्रुमेंटेशन और मानक सेटअप
एनएसओएम सेटअप के प्राथमिक घटक प्रकाश स्रोत, फीडबैक तंत्र, स्कैनिंग टिप, डिटेक्टर और पीजोइलेक्ट्रिक नमूना चरण हैं। प्रकाश स्रोत आमतौर पर एक polarizer, एक बीम स्प्लिटर और एक कपलर के माध्यम से एक ऑप्टिकल फाइबर में केंद्रित लेजर होता है। पोलराइज़र और बीम स्प्लिटर परावर्तित प्रकाश से आवारा प्रकाश को हटाने का काम करेंगे। स्कैनिंग टिप, ऑपरेशन मोड के आधार पर, आमतौर पर धातु के साथ लेपित एक खींचा हुआ या फैला हुआ ऑप्टिकल फाइबर होता है, सिवाय टिप पर या पिरामिडल टिप के केंद्र में एक छेद के साथ एक मानक AFM कैंटिलीवर। हिमस्खलन फोटोडायोड, फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (पीएमटी) या चार्ज-युग्मित डिवाइस जैसे मानक ऑप्टिकल डिटेक्टरों का उपयोग किया जा सकता है। अत्यधिक विशिष्ट एनएसओएम तकनीक, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी एनएसओएम, उदाहरण के लिए, अधिक कठोर डिटेक्टर आवश्यकताएं हैं।

निकट-क्षेत्र स्पेक्ट्रोस्कोपी
जैसा कि नाम से ही स्पष्ट है, निकट क्षेत्र व्यवस्था में इमेजिंग के बजाय स्पेक्ट्रोस्कोपिक माध्यमों से जानकारी एकत्र की जाती है। नियर फील्ड स्पेक्ट्रोस्कोपी (NFS) के माध्यम से, सब-वेवलेंथ रेजोल्यूशन के साथ स्पेक्ट्रोस्कोपिक रूप से जांच की जा सकती है। रमन एसएनओएम और फ्लोरेसेंस एसएनओएम दो सबसे लोकप्रिय एनएफएस तकनीकें हैं क्योंकि वे रासायनिक विपरीत के साथ नैनोसाइज्ड सुविधाओं की पहचान करने की अनुमति देती हैं। कुछ सामान्य नियर-फील्ड स्पेक्ट्रोस्कोपिक तकनीकें नीचे दी गई हैं।

डायरेक्ट लोकल रमन एनएसओएम रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी पर आधारित है। एपर्चर रमन एनएसओएम बहुत गर्म और कुंद युक्तियों और लंबे संग्रह समय से सीमित है। हालांकि, उच्च रमन स्कैटरिंग दक्षता कारकों (लगभग 40) को प्राप्त करने के लिए अपर्चर रहित एनएसओएम का उपयोग किया जा सकता है। टोपोलॉजिकल आर्टिफैक्ट इस तकनीक को किसी न किसी सतह के लिए लागू करना कठिन बनाते हैं।

टिप-एन्हांस्ड रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (टीईआरएस) सतह संवर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी  (एसईआरएस) की एक शाखा है। इस तकनीक का उपयोग अपर्चर रहित शीयर-बल एनएसओएम सेटअप में या सोने या चांदी के साथ लेपित एएफएम टिप का उपयोग करके किया जा सकता है। एएफएम टिप के तहत रमन सिग्नल में काफी वृद्धि देखी गई है। इस तकनीक का उपयोग एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब के तहत रमन स्पेक्ट्रा में स्थानीय रूपांतर देने के लिए किया गया है। रमन सिग्नल का पता लगाने के लिए एक अत्यधिक संवेदनशील ऑप्टोकॉस्टिक स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया जाना चाहिए।

प्रतिदीप्ति NSOM एक अत्यधिक लोकप्रिय और संवेदनशील तकनीक है जो निकट क्षेत्र इमेजिंग के लिए प्रतिदीप्ति का उपयोग करती है, और विशेष रूप से जैविक अनुप्रयोगों के लिए अनुकूल है। यहां पसंद की तकनीक निरंतर कतरनी बल मोड में फाइबर उत्सर्जन के लिए एपर्चरलेस बैक है। यह तकनीक एक उपयुक्त राल में एम्बेडेड मेरोसायनिन-आधारित रंगों का उपयोग करती है। एज फिल्टर का उपयोग सभी प्राथमिक लेजर प्रकाश को हटाने के लिए किया जाता है। इस तकनीक का उपयोग करके 10 एनएम जितना कम रिज़ॉल्यूशन प्राप्त किया जा सकता है।

नियर फील्ड इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमेट्री और नियर-फील्ड डाइइलेक्ट्रिक माइक्रोस्कोपी स्थानीय आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ उप-माइक्रोन माइक्रोस्कोपी को संयोजित करने के लिए निकट-क्षेत्र जांच का उपयोग करें। नैनो-एफटीआईआर विधि एक ब्रॉडबैंड नैनोस्केल स्पेक्ट्रोस्कोपी है जो हर स्थानिक स्थान पर एक पूर्ण इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए ब्रॉडबैंड रोशनी और एफटीआईआर पहचान के साथ अपर्चर रहित एनएसओएम को जोड़ती है। नैनो-एफटीआईआर के साथ एकल आणविक परिसर और 10 एनएम तक नैनोस्केल संकल्प के प्रति संवेदनशीलता का प्रदर्शन किया गया है। नैनोफोकसिंग तकनीक टिप एपेक्स पर एक नैनोमीटर-स्केल सफेद प्रकाश स्रोत बना सकती है, जिसका उपयोग स्पेक्ट्रोस्कोपिक विश्लेषण के लिए निकट-क्षेत्र में एक नमूना को रोशन करने के लिए किया जा सकता है। अलग-अलग एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब में इंटरबैंड ऑप्टिकल ट्रांज़िशन की छवि बनाई गई है और लगभग 6 एनएम के स्थानिक रिज़ॉल्यूशन की सूचना दी गई है।

कलाकृतियाँ
एनएसओएम उन कलाकृतियों के प्रति संवेदनशील हो सकता है जो इच्छित कंट्रास्ट मोड से नहीं हैं। एनएसओएम में कलाकृतियों के लिए सबसे आम जड़ स्कैनिंग, धारीदार कंट्रास्ट, विस्थापित ऑप्टिकल कंट्रास्ट, स्थानीय दूर क्षेत्र प्रकाश एकाग्रता और स्थलाकृतिक कलाकृतियों के दौरान टिप टूटना है।

एपर्चर रहित एनएसओएम में, जिसे स्कैटरिंग-टाइप एसएनओएम या एस-एसएनओएम के रूप में भी जाना जाता है, इनमें से कई कलाकृतियों को समाप्त कर दिया जाता है या उचित तकनीक के आवेदन से बचा जा सकता है।

सीमाएं
एक सीमा बहुत कम काम करने की दूरी और क्षेत्र की बेहद उथली गहराई है। यह आम तौर पर सतही अध्ययन तक ही सीमित होता है; हालाँकि, यह क्षेत्र की इसी गहराई के भीतर उपसतह जांच के लिए लागू किया जा सकता है। कतरनी बल मोड और अन्य संपर्क ऑपरेशन में यह नरम सामग्री का अध्ययन करने के लिए अनुकूल नहीं है। उच्च रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग के लिए बड़े नमूना क्षेत्रों के लिए इसमें लंबा स्कैन समय है।

एक अतिरिक्त सीमा स्कैनिंग टिप के नियर-फ़ील्ड ऑप्टिक्स|नियर-फ़ील्ड में पूछताछ करने वाले प्रकाश के ध्रुवीकरण (भौतिकी) अवस्था का प्रमुख अभिविन्यास है। धात्विक स्कैनिंग युक्तियाँ स्वाभाविक रूप से नमूना सतह के लंबवत ध्रुवीकरण स्थिति को उन्मुख करती हैं। अनिसोट्रोपिक टेराहर्ट्ज़ माइक्रोस्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी अन्य तकनीकें इन-प्लेन पोलरिमेट्री का उपयोग भौतिक गुणों का अध्ययन करने के लिए करती हैं, जो अनिसोट्रोपिक अणुओं में इंट्रामोल्युलर कंपन की स्थानिक निर्भरता सहित निकट-क्षेत्र स्कैनिंग ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के लिए दुर्गम हैं।

यह भी देखें

 * नैनो प्रकाशिकी
 * प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोस्कोपी
 * निकट-क्षेत्र प्रकाशिकी