Scanning near-field optical microscope

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler

Fiberoptisk laser til bruk for SNOM.

Scanning near-field optical microscopy (SNOM, NSOM) er en SPM-teknikk hvor en optisk fiber benyttes som probe. I praksis fungerer instrumentet som SPM i non-contact mode hvor proben er aldri i fysisk kontakt med prøven. Likevel er metoden unik fordi det går en laserstråle gjennom fiberen som treffer prøva, og signalet som reflekteres av overflaten samles opp av den samme proben og analyseres av et spektrometer. Slik får man to interessante datasett samtidig: prøvas topografi og lysfølsomhet.

Topografiscan av en overflate.

Konstruksjon

Her får du grovoppskriften på hvordan du kan lage din egen SNOM. Pris: ca. NOK 125.000,- (pr. 2010). Eksempelvis ble denne oppgaven gitt som sommerjobb på IET i 2010 av Helge Wemans gruppe for semiconducting nanowires. Dette var første gang en SNOM ble konstruert fra grunnen av på NTNU, og postdoc Phillip Olk var veileder for prosjektet. Apparatet er konstruert for enkel operasjon ved romtemperatur.

Virkemåte

Aller først er det på sin plass å si litt om hvordan denne innretningen fungerer. Proben er selve hjertet i en SNOM, og som illustrasjonen til høyre viser består denne av en sylskarp optisk fiber som er limt fast til en elektrisk stemmegaffel som har en spesiell egenfrekvens. Det betyr at når den kobles til et elektrisk AC-signal så vil singnalet forsterkes dersom det ligger på den spesielle egenfrekvensen. Poenget er at denne egenfrekvensen i stor grad påvirkes av avstanden mellom proben og probas overfalte. Adhesjonskreftene som da oppstår demper nemlig vibrasjonene. Virkemåten kan summeres slik:

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler

Proben scanner over en test grid for kalibrering.

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler

Oversikt over noen av de viktigste delene.

• Et piezoelektrisk element scanner et ørlite område av en prøveoverflate. Dette området er typisk rundt 30 μm² eller mindre.
• På kanten av piezoen sitter en liten probe som beveger seg opp og ned i henhold til topografien. Avstand mellom probe og prøve er konstant ved mindre annet er ønskelig (constant height mode).
• En signalgenerator (PC) genererer et elektrisk AC signal som blir sendt inn i proben (excitation), og signalet som kommer ut blir observert av en datamaskin. Proben vil ha en amplitude-vs-frekvenskarakteristikk som et båndpassfilter, og amplituden er størst rundt egenfrekvensen.
• Dersom datamaskinen merker at amplituden forandrer seg, betyr det at egenfrekvensen er forskjøvet - altså at avstanden mellom probe og prøve ikke lenger er den samme. Dette kompanseres for ved at piezoen beveger seg litt helt til egenfrekvensen er normal. Datamaskinen konstruerer et bilde av piezoens bevegelser, og det er dette som gir topografien.
• Hittil er SNOMen bare en SPM. For å få en SNOM sendes en laserstråle gjennom den optiske fiberen i proben. Laserlyset eksiterer prøva, og signalet som emitteres samles delvis opp av den samme fiberen og sendes tilbake gjennom en "beam splitter" og til et spektrometer som logger amplituden. Da fås i tillegg et scan for lysfølsomheten.

Sette sammen delene

Her burde det egentlig stå noe mer, men klokka er 17:00 og sommerjobben min er per def. over for en time siden. Så da får det heller vente til neste gang (?).

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler

Nærbilde av noen av de mest sentrale elementene - piezo, probe og prøve.

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler

Skjematisk oppsett for det totale apparatet (forskerens arbeidsbord til høyre).

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler

SNOM - bare halvferdig.