निकट-क्षेत्र स्कैनिंग प्रकाशीय माइक्रोस्कोप

नियर-फील्ड स्कैनिंग ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (NSOM) या नियर-फील्ड ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी (SNOM) स्कैनिंग नैनोस्ट्रक्चर जांच के लिए एक माइक्रोस्कोपी तकनीक है जो अपस्फीति तरंगों के गुणों का दोहन करके दूर क्षेत्र विवर्तन-सीमित प्रणाली को तोड़ती है। एसएनओएम में, उत्तेजना तरंगदैर्ध्य लेज़र  प्रकाश उत्तेजना तरंगदैर्ध्य से छोटे व्यास के साथ एपर्चर के माध्यम से केंद्रित होता है, जिसके परिणामस्वरूप एपर्चर के दूर की ओर एक क्षणिक क्षेत्र (या निकट-क्षेत्र) होता है। जब नमूने को एपर्चर के नीचे थोड़ी दूरी पर स्कैन किया जाता है, तो प्रेषित या परावर्तित प्रकाश का ऑप्टिकल रिज़ॉल्यूशन केवल एपर्चर के व्यास द्वारा सीमित होता है। विशेष रूप से, 6 एनएम का पार्श्व संकल्प और 2-5 एनएम के लंबवत विभेदन का प्रदर्शन किया गया है। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के रूप में, अपवर्तक सूचकांक, रासायनिक संरचना और स्थानीय तनाव जैसे विभिन्न गुणों का अध्ययन करने के लिए कंट्रास्ट तंत्र को आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है। इस तकनीक का उपयोग करके उप-तरंगदैर्ध्य पैमाने पर गतिशील गुणों का भी अध्ययन किया जा सकता है।

एनएसओएम/एसएनओएम स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी  का एक रूप है।

इतिहास
एडवर्ड हचिंसन सिन्ज को एक ऐसे इमेजिंग उपकरण के लिए विचार करने और विकसित करने का श्रेय दिया जाता है जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण # निकट और दूर के क्षेत्रों में रोमांचक और एकत्रित विवर्तन द्वारा छवि बनाएगा। उनका मूल विचार, 1928 में प्रस्तावित, लगभग 100 एनएम के एक छोटे छिद्र के साथ एक पतली, अपारदर्शी धातु फिल्म के पीछे दबाव में चाप से तीव्र लगभग समतलीय प्रकाश के उपयोग पर आधारित था। छिद्र को सतह के 100 एनएम के भीतर रहना था, और बिंदु-दर-बिंदु स्कैनिंग द्वारा जानकारी एकत्र की जानी थी। उन्होंने रोशनी और डिटेक्टर आंदोलन को सबसे बड़ी तकनीकी कठिनाइयों के रूप में देखा।  जॉन ए. ओ'कीफ (खगोलविद) | जॉन ए. ओ'कीफ ने भी 1956 में इसी तरह के सिद्धांतों को विकसित किया था। उन्होंने सोचा कि पिनहोल या डिटेक्टर का हिलना जब यह नमूने के इतने करीब होता है तो यह सबसे संभावित मुद्दा होगा जो रोक सकता है ऐसे उपकरण की प्राप्ति। यह यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के एरिक ऐश और निकोल्स थे, जिन्होंने 1972 में पहली बार 3 सेमी के तरंग दैर्ध्य के साथ माइक्रोवेव विकिरण का उपयोग करके अर्नेस्ट अब्बे के विवर्तन-सीमित प्रणाली को तोड़ा था। λ के एक संकल्प के साथ एक लाइन झंझरी का समाधान किया गया था0/60. एक दशक बाद, डाइटर पोहल (भौतिक विज्ञानी) द्वारा ऑप्टिकल नियर-फील्ड माइक्रोस्कोप पर एक पेटेंट दायर किया गया था। इसके बाद 1984 में पहला पेपर आया जिसमें नियर फील्ड स्कैनिंग के लिए विजिबल रेडिएशन का इस्तेमाल किया गया। नियर-फील्ड ऑप्टिकल (NFO) माइक्रोस्कोप में मेटल कोटेड नुकीले पारदर्शी टिप के शीर्ष पर एक सब-वेवलेंथ अपर्चर शामिल था, और सैंपल और जांच के बीच कुछ नैनोमीटर की निरंतर दूरी बनाए रखने के लिए एक फीडबैक मैकेनिज्म था। लुईस एट अल। इस समय एनएफओ माइक्रोस्कोप की क्षमता के बारे में भी जानते थे। उन्होंने 1986 में सुपर-रिज़ॉल्यूशन की पुष्टि करने वाले पहले परिणामों की सूचना दी। दोनों प्रयोगों में, विवरण 50 एनएम से नीचे (लगभग λ0/10) आकार में पहचाना जा सकता है।

सिद्धांत
1873 में विकसित अब्बे के छवि निर्माण के सिद्धांत के अनुसार, एक ऑप्टिकल घटक की संकल्प क्षमता अंततः विवर्तन के कारण प्रत्येक छवि बिंदु से फैलने से सीमित होती है। जब तक ऑप्टिकल घटक का एपर्चर सभी विवर्तित प्रकाश को इकट्ठा करने के लिए पर्याप्त बड़ा नहीं होता, तब तक छवि के बेहतर पहलू वस्तु के अनुरूप नहीं होंगे। ऑप्टिकल घटक के लिए न्यूनतम रिज़ॉल्यूशन (डी) इस प्रकार इसके एपर्चर आकार द्वारा सीमित है, और रेलेई कसौटी द्वारा व्यक्त किया गया है:


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

यहाँ, एल0 निर्वात में तरंग दैर्ध्य है; एनए ऑप्टिकल घटक के लिए संख्यात्मक एपर्चर है (अधिकतम 1.3-1.4 आधुनिक उद्देश्यों के लिए बहुत उच्च आवर्धन कारक के साथ)। इस प्रकार, रिज़ॉल्यूशन सीमा आमतौर पर λ के आसपास होती है0/2 पारंपरिक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के लिए। यह उपचार केवल दूर-क्षेत्र में विवर्तित प्रकाश को मानता है जो बिना किसी प्रतिबंध के फैलता है। एनएसओएम क्षणभंगुर या गैर प्रसार क्षेत्रों का उपयोग करता है जो केवल वस्तु की सतह के पास मौजूद होते हैं। इन क्षेत्रों में वस्तु के बारे में उच्च आवृत्ति स्थानिक जानकारी होती है और तीव्रता होती है जो वस्तु से दूरी के साथ घातीय रूप से गिरती है। इस वजह से, डिटेक्टर को निकट क्षेत्र क्षेत्र में नमूना के बहुत करीब रखा जाना चाहिए, आमतौर पर कुछ नैनोमीटर। नतीजतन, निकट क्षेत्र माइक्रोस्कोपी मुख्य रूप से एक सतह निरीक्षण तकनीक बनी हुई है। डिटेक्टर तब एक पीजोइलेक्ट्रिसिटी चरण का उपयोग करके नमूने में रेखापुंज स्कैन करता है। फीडबैक मैकेनिज्म का उपयोग करके स्कैनिंग या तो स्थिर ऊंचाई पर या विनियमित ऊंचाई के साथ की जा सकती है।

एपर्चर और अपर्चरलेस ऑपरेशन
एनएसओएम मौजूद है जिसे गैर-एपर्चर मोड में ऑपरेशन के लिए तथाकथित एपर्चर मोड और एनएसओएम में संचालित किया जा सकता है। जैसा कि दिखाया गया है, अपर्चर रहित मोड में उपयोग की जाने वाली युक्तियां बहुत तेज होती हैं और उनमें धातु की परत नहीं होती है।

Though there are many issues associated with the apertured tips (heating, artifacts, contrast, sensitivity, topology and interference among others), aperture mode remains more popular. This is primarily because apertureless mode is even more complex to set up and operate, and is not understood as well. There are five primary modes of apertured NSOM operation and four primary modes of apertureless NSOM operation. The major ones are illustrated in the next figure.

कुछ प्रकार के एनएसओएम ऑपरेशन एक कैम्पेनाइल जांच का उपयोग करते हैं, जिसमें धातु के साथ लेपित दो पहलुओं के साथ एक चौकोर पिरामिड आकार होता है। इस तरह की जांच में उच्च सिग्नल संग्रह दक्षता (>90%) होती है और कोई आवृत्ति कटऑफ़ नहीं होती है। एक अन्य विकल्प सक्रिय टिप योजनाएं हैं, जहां टिप को फ्लोरोसेंट डाई जैसे सक्रिय प्रकाश स्रोतों के साथ क्रियाशील किया जाता है या यहां तक ​​कि एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड जो प्रतिदीप्ति उत्तेजना को सक्षम करता है। एपर्चर और अपर्चर रहित एनएसओएम कॉन्फ़िगरेशन की खूबियों को एक हाइब्रिड प्रोब डिज़ाइन में मर्ज किया जा सकता है, जिसमें एक पतला ऑप्टिकल फाइबर के किनारे से जुड़ी एक धातु की नोक होती है। दृश्यमान सीमा (400 एनएम से 900 एनएम) पर, लगभग 50% घटना प्रकाश को टिप एपेक्स पर केंद्रित किया जा सकता है, जो त्रिज्या में लगभग 5 एनएम है। यह हाइब्रिड जांच फाइबर के माध्यम से उत्तेजना प्रकाश को टिप-एन्हांस्ड रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (टीईआरएस) को टिप एपेक्स पर महसूस करने के लिए वितरित कर सकती है, और उसी फाइबर के माध्यम से रमन सिग्नल एकत्र कर सकती है। लेंस-मुक्त फाइबर-इन-फाइबर-आउट 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