KR20240006703A - 광열 효과에 기반한 적외선 스캐닝 근접장 광학 현미경법을 위한 방법 및 장치 - Google Patents
광열 효과에 기반한 적외선 스캐닝 근접장 광학 현미경법을 위한 방법 및 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240006703A KR20240006703A KR1020237045075A KR20237045075A KR20240006703A KR 20240006703 A KR20240006703 A KR 20240006703A KR 1020237045075 A KR1020237045075 A KR 1020237045075A KR 20237045075 A KR20237045075 A KR 20237045075A KR 20240006703 A KR20240006703 A KR 20240006703A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- probe
- sample
- infrared
- light
- collected
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 230000000694 effects Effects 0.000 title description 4
- 238000000031 infrared scanning near-field optical microscopy Methods 0.000 title 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 341
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 24
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 11
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 8
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 claims description 2
- 238000000772 tip-enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 35
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 23
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- 238000004651 near-field scanning optical microscopy Methods 0.000 description 13
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 8
- 230000004044 response Effects 0.000 description 8
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 3
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- KUVIULQEHSCUHY-XYWKZLDCSA-N Beclometasone Chemical compound C1CC2=CC(=O)C=C[C@]2(C)[C@]2(Cl)[C@@H]1[C@@H]1C[C@H](C)[C@@](C(=O)COC(=O)CC)(OC(=O)CC)[C@@]1(C)C[C@@H]2O KUVIULQEHSCUHY-XYWKZLDCSA-N 0.000 description 1
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000000418 atomic force spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N gallium phosphide Chemical compound [Ga]#P HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 238000012883 sequential measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 101150008563 spir gene Proteins 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
- G01Q30/02—Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
- G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
- G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
Abstract
샘플의 서브 마이크로미터 영역의 적외선 흡수를 측정하기 위한 방법 및 시스템이 제공될 수 있다. 적외선 광원은 스캐닝 프로브 현미경(SPM)의 팁과 상호작용하는 영역 내의 샘플을 조명할 수 있으며, 샘플 영역의 적외선 흡수와 관련된 측정 가능한 광학적 특성을 생성하는 방식으로 샘플을 조명한다. 프로브 광원은 샘플의 영역과 SPM 팁에서 다이렉트되며, 팁과 샘플 영역으로부터 발산하는 프로브 광이 수집된다. 수집된 광은 아마도 하위-미크론 규모인 샘플 영역의 적외선 흡수 스펙트럼 정보를 추론하도록 사용될 수 있다.
Description
본 출원은 2017년 3월 9일 출원된 미국 가출원 제 62/469,349호의 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 명세서는 적외선 흡수 스펙트럼과 직접 관련한 표면의 광학적 특성 및/또는 재료 조성을 나타내는 정보를 획득하기 위한 스캐닝 근접장 광학 현미경법(SNOM) 및 특히 적외선(IR) SNOM에 관한 것이다.
s-SNOM 및 특히 IR에서 수행되는 s-SNOM은 나노미터 규모에 근접한 해상도로 일부 표면의 광학 특성/재료 조성을 측정 및 매핑하는데 유용한 기술일 수 있다. 이 기술의 다양한 양태는 공동의 발명자에 의한, 그리고 본 출원과 공동으로 소유되는 미국 출원 13/835,312, 14/322,768, 14/634,859, 14/957,480 및 15/249,433에 기술된다. 이들 출원은 그 전문이 참조로 포함된다. AFM-IR은 나노미터 규모에 근접한 해상도로 일부 표면의 광학 특성/재료 조성을 측정 및 매핑하는데 유용한 기술일 수 있다. 이 기술의 다양한 양태는 공동의 발명자에 의한, 그리고 본 출원과 공동으로 소유되는 미국 특허 8869602, 8680457, 8402819, 8001830, 9134341, 8646319, 8242448 및 미국 특허 출원 13/135,956 및 15/348,848에 기술된다. 이들 출원은 그 전문이 참조로 포함된다.
샘플의 서브 마이크로 미터 영역의 적외선 흡수를 측정하기 위한 시스템 및 방법이 제공될 수 있다. 적외선 광원은 SPM(Scanning Probe Microscope)의 팁과 상호작용하는 영역의 샘플을 조명하여 샘플 영역의 적외선 흡수와 관련된 광학적 특성의 측정 가능한 변화를 생성하는 방식으로 샘플을 자극할 수 있다. 프로브 광원은 샘플 및 SPM 팁의 영역으로 향하고, SPM 팁 부근의 샘플 영역에서 나오는 프로브 광이 수집됩니다. 수집된 광은 서브 마이크론 규모를 포함하여 샘플 영역의 적외선 흡수 스펙트럼 정보를 도출하는데 사용될 수 있다.
일 양태에서, 샘플 영역의 적외선 흡수 스펙트럼을 측정하기 위한 방법이 제공될 수 있으며, 이 방법은 스캐닝 프로브 현미경(SPM; Scanning Probe Microscope)의 팁을 샘플 영역과 상호작용시키는 단계; 적외선 광원으로부터의 적외선 빔으로 샘플 영역을 조명하는 단계; 협대역 광원으로부터의 프로브 광으로 샘플 영역과 SPM 팁을 조명하는 단계; 수집 샘플 영역으로부터 발산하는 프로브 광을 수집하는 단계; 및 수집된 프로브 광을 분석하여 샘플 영역의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 신호를 구성하는 단계를 포함한다.
제 1 양태의 일 실시예에서, 협대역 광원은 광학적 대역폭에 의해 특징지어질 수 있으며 샘플의 광학적 특징은 협대역 광원의 대역폭 내에서 실질적으로 일정할 수 있다. 제 1 양태의 다른 실시예에서, 협대역 광원의 대역폭은 8cm-1보다 작을 수 있다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 협대역 광원의 중심 파장은 2 미크론보다 작을 수 있다.
제 1 양태의 다른 실시예에서, 적외선 광원은 동조 가능한(tunable) 적외선 레이저를 포함한다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 이 방법은 적외선 광원의 복수의 중심 파장에서 위의 단계들을 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제 1 양태의 다른 실시예에서, 적외선 광원은 적외선 광원은 글로바(globar) 또는 펨토-초(femto-second) 레이저를 포함하는 광대역 소스일 수 있다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 광대역 소스로부터 스펙트럼을 구성하기 위해 고속 푸리에 변환을 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제 1 양태의 다른 실시예에서, 샘플 영역의 실제 굴절률로부터의 이산 기여가 억제될 수 있다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 적외선 흡수 스펙트럼은 1 미크론 미만의 공간 분해능로 측정될 수 있다. 제 1 양태의 다른 실시예에서, 적외선 흡수 스펙트럼은 100㎚ 미만의 공간 분해능로 측정될 수 있다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 적외선 흡수 스펙트럼은 10㎚ 미만의 공간 분해능으로 측정될 수 있다.
제 1 양태의 다른 실시예에서, 적외선 빔은 샘플 위로부터 비스듬한 각도로 샘플을 조명할 수 있다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 적외선은 총 내부 반사를 통해 샘플을 조명할 수 있다. 제 1 양태의 다른 실시예에서, 적외선 빔은 주파수 fIR에서 변조될 수 있고, 분석 단계는 n이 정수인 주파수 n×fIR에서 수집된 프로브 광의 진폭을 복조하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 변조 주파수 fIR는 1kHz를 초과할 수 있다.
제 1 양태의 다른 실시예에서, 적외선 흡수 스펙트럼은 샘플 표면과 접촉하고 접촉하지 않는 SPM 프로브로 수집된 프로브 광의 진폭을 사용하여 계산될 수 있다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 상호작용 단계는 프로브의 공진 주파수 fo에서 SPM 프로브를 진동시키는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 양태의 다른 실시예에서, 수집된 프로브 광은 n이 정수인 주파수 n×fo에서 복조된다.
제 1 양태의 일 실시예에서, 수집된 프로브 광의 적어도 일부가 라만 분광계로 전달될 수 있다. 제 1 양태의 다른 실시예에서, 라만 분광계에 의해 수집된 프로브 광이 적외선 흡수 스펙트럼과 동일한 샘플 영역에서 팁 강화된 라만 분광법을 수행하도록 사용될 수 있다.
제 1 양태의 일 실시예에서, 협대역 광원은: 244㎚, 257㎚, 325㎚, 364㎚, 457㎚, 473㎚, 488㎚, 514㎚, 532㎚, 633㎚, 660㎚, 785㎚, 830㎚, 980㎚ 및 1064㎚ 중 하나와 실질적으로 동일한 중심 파장을 가질 수 있다. 제 1 양태의 다른 실시예에서, 수집된 프로브 광의 세기는 샘플 영역에 의한 적외선 광의 흡수로 인해 샘플 영역의 반사에서의 변화로 인해 달라질 수 있다.
제 1 양태의 일 실시예에서, 수집된 프로브 광의 적어도 일부분은 샘플의 형광 반응을 결정하도록 분석된 필터링된 광 및 적어도 하나의 형광 필터에 의해 필터링된 광일 수 있다. 제 1 양태의 다른 실시예에서, 복조 단계는 n의 다수의 정수값에서 수행될 수 있다. 제 1 양태의 일 실시예에서, 샘플의 깊이 분해된 단층 촬영 측정법을 구성하도록 다수의 n의 정수값에서의 복조가 사용된다.
제 2 양태에서 프로브 팁, 적외선 광원, 협대역 프로브 광원, 프로브 집광기 및 제어, 데이터 획득 및 데이터 분석 요소를 포함하는 적어도 하나의 컴퓨팅 장치를 구비한 스캐닝 프로브 현미경(SPM)을 포함하는 샘플 영역의 적외선 흡수를 측정하기 위한 시스템이 제공될 수 있으며, 이 시스템은: SPM의 팁을 샘플 영역과 상호작용시키고; 적외선 광원으로부터의 적외선 빔으로 샘플 영역을 조명하고; 협대역 프로브 광 빔으로 샘플 영역과 SPM의 팁을 조명하고; 프로브 광 검출기로 샘플 영역으로부터 프로브 광을 수집하며; 수집된 프로브 광을 분석하여 샘플 영역의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 신호를 구성하도록 구성된다.
제 2 양태의 일 실시예에서, 이러한 시스템은 변조기 및 복조기를 더 포함할 수 있으며, 적외선의 강도를 변조하고; 수집된 프로브 광의 진폭을 결정하기 위해 수집된 프로브 광을 복조하도록 추가로 구성되며, 수집된 프로브 광의 진폭은 샘플의 서브미크론 영역의 적외선 흡수 스펙트럼을 추가로 구성하도록 사용된다. 제 2 양태의 다른 실시예에서, 적외선 광원은 동조 가능한 적외선 레이저를 포함할 수 있다. 제 2 양태의 일 실시예에서, 적외선 소스는 양자 캐스케이드 레이저를 포함할 수 있다. 제 2 양태의 다른 실시예에서, 프로브 광원은 가시 레이저, 근-적외선 레이저, 중-적외선 레이저 및 자외선 레이저 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 2 양태의 일 실시예에서, 적외선 광원은 글로바 또는 펨토-초 레이저를 포함하는 광대역 소스를 포함할 수 있다.
본 명세서에 제공된 실시예들의 양태 및 장점은 첨부 도면과 함께 아래의 상세한 설명을 참조하여 설명된다. 도면 전체에 걸쳐, 참조번호는 참조된 요소 사이의 대응을 나타내도록 재사용될 수 있다. 도면은 여기에 기술된 예시적인 실시예를 설명하도록 제공되며 본 개시내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1a는 예시적인 실시예의 단순화된 개략도를 도시한다;
도 1b는 예시적인 실시예에 따른 산란된 프로브 광의 측정을 도시한 삽입도이다;
도 2는 상향식 전송 지오메트리를 이용한 대안적인 구현을 도시한다;
도 3은 개구형 스캐닝 근접장 광학 현미경에 기초한 대안적인 구현을 도시한다;
도 4는 개구형 스캐닝 근접장 광학 현미경에 기초한 다른 대안적인 구현을 도시한다.
도 5는 개구형 스캐닝 근접장 광학 현미경에 기초한 다른 대안적인 구현을 도시한다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 7은 광대역 IR 소스를 통합한 실시예를 도시한다.
도 1a는 예시적인 실시예의 단순화된 개략도를 도시한다;
도 1b는 예시적인 실시예에 따른 산란된 프로브 광의 측정을 도시한 삽입도이다;
도 2는 상향식 전송 지오메트리를 이용한 대안적인 구현을 도시한다;
도 3은 개구형 스캐닝 근접장 광학 현미경에 기초한 대안적인 구현을 도시한다;
도 4는 개구형 스캐닝 근접장 광학 현미경에 기초한 다른 대안적인 구현을 도시한다.
도 5는 개구형 스캐닝 근접장 광학 현미경에 기초한 다른 대안적인 구현을 도시한다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 7은 광대역 IR 소스를 통합한 실시예를 도시한다.
일부 실시예에서, 산란형 스캐닝 근접장 광학 현미경법(s-SNOM) 측정에 대한 배경 산란 기여를 억제하기 위한 시스템 및 방법이 제공될 수 있다. SPM 프로브-샘플 영역은 광원에 의해 조명된다. 일부 실시예에서, 광원은 조명이 한 번에 하나의 파장씩, 복수의 선택된 파장에서 발생하게 하도록 동조 가능하다. 측정은 복수의 조명 파장 및/또는 복수의 샘플 위치에서 반복될 수 있다.
정의
"광학 특성"은 굴절률, 흡수 계수, 반사율, 흡수율, 굴절률의 실제 및/또는 가상의 구성요소, 샘플 유전체의 실제 및/또는 가상의 구성요소를 포함하지만 이에 제한되지 않는 샘플의 광학적 특성을 지칭한다.
"스캐닝 프로브 현미경(SPM)"은 예리한 프로브가 샘플 표면과 상호작용한 다음 샘플 표면의 하나 이상의 특성을 측정하면서 표면에 걸쳐 스캐닝되는 현미경을 지칭한다. 스캐닝 프로브 현미경은 원자력 현미경(AFM)일 수 있으며, 날카로운 팁을 갖는 캔틸레버 프로브를 포함할 수 있다. SPM은 일반적으로 프로브 팁 및/또는 프로브 팁이 부착된 물체, 예를 들어 캔틸레버 또는 튜닝 포크 또는 MEMS 장치의 움직임, 위치 및/또는 다른 반응을 측정하는 능력을 포함한다. 가장 일반적인 방법은 캔틸레버 프로브에서 레이저 빔이 반사되어 캔틸레버의 편향을 측정하는 광학 레버 시스템을 사용하는 것이다. 대안으로는 압저항 캔틸레버, 튜닝 포크, 용량 감지 및 기타 기술과 같은 자체 감지 기술을 포함한다. 다른 검출 시스템은 힘, 힘 구배, 공진 주파수, 온도 및/또는 표면과의 다른 상호작용 또는 표면 상호작용에 대한 응답과 같은 다른 특성을 측정할 수 있다. SPM은 또한 샘플에 광을 전달 및/또는 광을 수집하는 데 사용할 수 있는 조리개 기반 프로브를 사용할 수 있다.
"샘플 영역과 SPM 프로브 팁의 상호작용"은 SPM 프로브 팁을 샘플 표면에 충분히 가까이 두어 하나 이상의 근거리 상호작용이 예를 들어 인력 및/또는 척력 팁-샘플 힘, 및/또는 프로브 정점에 근접한 샘플의 영역으로부터 산란된 방사선의 생성 및/또는 증폭을 발생하게 한다. 상호작용은 접촉 모드, 간헐적 접촉/탭핑 모드, 비접촉 모드, 전단력 모드, 펄스력 모드 및/또는 임의의 측면 변조 모드일 수 있다. 상호작용은 일정하거나 경우에 따라 주기적일 수 있다. 주기적 상호작용은 정현파 또는 임의의 주기적 파형일 수 있다. 펄스력 모드 및/또는 빠른 힘 곡선 기법을 사용하여 프로브를 샘플과 원하는 수준의 상호작용을 유지한 다음 유지 기간과 후속 프로브 후퇴를 주기적으로 수행할 수도 있다.
"조명"은 물체, 예를 들어 샘플의 표면, 프로브 팁 및/또는 프로브-샘플 상호작용 영역에서 방사선을 지향시키는 것을 의미한다. 조명은 적외선 파장 범위의 방사선, 가시광선 및 자외선에서 THz까지의 다른 파장을 포함할 수 있다. 조명은 방사선 소스, 반사 요소, 포커싱 요소 및 임의의 다른 빔 조향 또는 컨디셔닝 요소의 임의의 임의의 구성을 포함할 수 있다.
"적외선 광원"은 적외선 파장 범위에서, 일반적으로 2 내지 25 미크론의 IR 중간에서 방사선을 생성 또는 방출하는 하나 이상의 광원을 지칭한다. 적외선 광원은 이 전체 범위에 걸쳐 방사선을 발생시키거나 많은 경우에 이 범위의 서브 세트, 예를 들어 2.5-4 마이크론, 또는 5-13 마이크론인 조정 범위를 갖는다. 방사선 소스는 열 또는 글로바(Globar) 소스, 초연속 레이저 소스, 주파수 콤브, 차동 주파수 생성기, 합산 주파수 생성기, 고조파 생성기, 광학 파라메트릭 발진기(OPO), 광학 파라메트릭 생성기(OPG), 양자 캐스케이드 레이저(QCL), 나노초, 피코초, 펨토초 및 아토초 레이저 시스템, CO2 레이저, 가열된 캔틸레버 프로브 또는 기타 미세 히터 및/또는 방사선 빔을 생성하는 임의의 다른 소스를 포함한 다수의 소스 중 하나일 수 있다. 소스는 경우에 따라 적외선을 방출하지만, 예를 들어 자외선 내지 THz와 같은 다른 파장 범위에서 방출할 수도 있다. 소스는 예를 들어 스펙트럼 폭이 < 10cm-1 또는 < 1cm-1 미만인 협대역일 수 있거나, 또는 예를 들어 > 10cm-1, > 100cm-1 또는 500cm-1 초과인 스펙트럼 폭을 갖는 광대역일 수 있다.
"프로브 광원"은 적외선 광원으로부터의 광의 입사에 대한 샘플의 응답을 프로브하는데 사용되는 방사선 소스를 지칭한다. 방사선 소스는 예를 들어 합산 주파수 또는 차동 주파수 생성을 통해 생성된 가스 레이저, 레이저 다이오드, 초발광 다이오드(SLD), 근적외선 레이저, UV 및/또는 가시 레이저 빔을 포함할 수 있다. 또한 2.5 마이크로미터 미만, 또는 1 마이크로미터 미만, 가능하면 0.5 마이크로미터 미만의 스팟에 초점을 맞출 수 있는 근적외선, UV 및/또는 가시광선의 임의의 또는 다른 소스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 프로브 광원은 적외선 광원의 튜닝 또는 방출 범위를 벗어난 파장에서 작동할 수 있지만, 프로브 광원은 또한 적외선 광원의 조정 범위와 실제로 광원과 겹치는 선택 파장에서 고정된 파장 소스일 수 있다. "프로브 광 빔"은 원래 프로브 광원으로부터 비춰지는 빔이다. 일부 실시예에서, 프로브 광원은 후술하는 바와 같이 "협대역 광원"이 되도록 선택된다.
"프로브 광 수집"은 샘플과 상호작용한 프로브 광 빔의 방사선을 수집하는 것을 의미한다. 프로브 광은 반사, 산란, 투과, 소멸파 결합 및/또는 개구 프로브를 통한 투과 후에 수집될 수 있다.
"-를 나타내는 신호"는 관심 특징과 수학적으로 관련된 신호를 지칭한다. 이 신호는 아날로그 신호, 디지털 신호 및/또는 컴퓨터 또는 다른 디지털 전자 장치에 저장된 하나 이상의 숫자일 수 있다. 신호는 전압, 전류 또는 용이하게 변환 및 기록될 수 있는 임의의 다른 신호일 수 있다. 신호는 측정되는 특성, 예를 들어 절대 위상 신호 또는 흡수 계수와 수학적으로 동일할 수 있다. 또한 선형 또는 기타 스케일링, 오프셋, 반전 또는 복잡한 수학적 조작을 포함하여 하나 이상의 관심 특성과 수학적으로 관련된 신호일 수 있다.
"스펙트럼"은 파장의 함수로서 또는 파장의 함수로서 동등하고(보다 일반적으로) 샘플의 하나 이상의 특성의 측정을 지칭한다.
"적외선 흡수 스펙트럼"은 샘플의 적외선 흡수 계수, 흡광도, 또는 유사한 IR 흡수 특성의 파장 의존성에 비례하는 스펙트럼을 지칭한다. 적외선 흡수 스펙트럼의 예는 푸리에 변환 적외선 분광계(FTIR), 즉 FTIR 흡수 스펙트럼에 의해 생성된 흡수 측정이다(IR 흡수 스펙트럼은 투과 스펙트럼에서도 쉽게 도출될 수 있다.)
"분산 기여"는 굴절률의 실제 부분으로 인한 신호의 기여, 또는 더 일반적으로는 샘플의 흡수 특성에 기인하지 않는 효과를 지칭한다.
"실제 굴절률"은 재료의 굴절률의 실수부를 지칭한다.
샘플에 입사되는 방사선을 언급할 때 "변조"는 주기적으로 위치에서 적외선 레이저 강도를 주기적으로 변화시키는 것을 의미한다. 광 빔 강도의 변조는 예를 들어 정전기적으로, 전자기적으로, 압전 액추에이터로 또는 다른 미러를 기울이거나 변형하기 위한 다른 수단에 의해서, 빔의 기계적 초핑, 제어된 레이저 펄스, 및/또는 레이저 빔의 편향에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어 회절 MEMS 기반 변조기 또는 고속 셔터, 감쇠기, 또는 샘플에 입사되는 레이저 세기의 강도, 각도 및/또는 위상을 변화시키는 다른 메커니즘에 의한 회절 효과로 변조가 달성될 수도 있다.
"복조"는 일반적으로 반드시 특정 주파수에서가 아닌 전체 신호로부터 정보를 갖는 신호를 추출하는 것을 의미한다. 예를 들어, 본 출원에서 광검출기에서 수집된 수집된 프로브 광은 전체 신호를 나타낸다. 복조 프로세스는 샘플에 의해 흡수된 적외선에 의해 교란되는 부분을 선택한다. 복조는 변조와 동기화되지 않은 배경 및 잡음 신호를 억제하면서 락-인 증폭기, FFT(고속 푸리에 변환), 원하는 주파수에서 이산 푸리에 성분 계산, 공진 증폭기, 협대역 대역 통과 필터, 관심 신호를 크게 향상시키는 임의의 다른 기술에 의해 수행될 수 있다. "복조기"는 복조를 수행하는 장치 또는 시스템을 지칭한다.
"개구 기반 프로브" 또는 "개구형 프로브"는 개구를 통해 광을 투과 및/또는 수집하기 위해 개구로 제조된 스캐닝 프로브 현미경 프로브를 지칭한다. 개구 기반 프로브는 캔틸레버 프로브, 또는 다른 유형의 프로브 본체 및/또는 테이퍼형 섬유 프로브일 수 있다. 프로브는 또한 금속 및 중합체 재료 및 에칭된 MEMS 구조로 제조되었다. 프로브 본체와 팁을 관통하는 구멍이 있는 SPM 프로브 팁도 개구 프로브의 역할을 할 수 있다. 일반적으로 프로브에는 샘플와 상호작용할 수 있고 예를 들어 예를 들어 캔틸레버 프로브의 굽힘, 또는 프로브 시간과 샘플 간의 상호작용을 나타내는 저항, 공명 주파수 또는 기타 특성의 변화에 의해서 상호작용을 감지도록 일부 메커니즘을 지원할 수 있는 날카로운 팁과 서브-파장 조리개를 통해 광을 안내하는 수단만을 필요로 한다.
"SPM 제어기"는 AFM-IR 시스템의 데이터 수집 및 제어를 용이하게 하는 시스템을 지칭한다. 제어기는 단일 통합 전자 인클로저일 수 있거나 다수의 분산 요소를 포함할 수 있다. 제어 요소는 프로브 팁 및/또는 샘플의 위치 및/또는 스캐닝을위한 제어를 제공할 수 있다. 또한 프로브 편향, 동작 또는 기타 반응에 대한 데이터를 수집하고 방사선 소스 전력, 편광, 조향, 초점 및/또는 기타 기능을 제어할 수 있다. 제어 요소 등은 컴퓨터 프로그램 방법 또는 디지털 논리 방법을 포함할 수 있고, 다양한 컴퓨팅 장치(컴퓨터, 개인 전자 장치), 아날로그 및/또는 디지털 이산 회로 구성요소(트랜지스터, 저항기, 커패시터, 인덕터, 다이오드 등), 프로그램 가능한 로직, 마이크로프로세서, 마이크로 컨트롤러, 애플리케이션 특정 집적 회로 또는 기타 회로 요소의 임의의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 메모리는 컴퓨터 프로그램을 저장하도록 구성되고 본 명세서에 기술된 하나 이상의 프로세스를 수행하기 위해 개별 회로 구성요소와 함께 구현될 수 있다.
"락-인(lock-in) 증폭기"는 "복조기"(위에서 정의됨)의 일례이며, 하나 이상의 기준 주파수 중 하나에서 시스템의 응답을 복조하는 장치, 시스템 및/또는 알고리즘이다. 락-인 증폭기는 아날로그 전자, 디지털 전자 및 이 둘의 조합을 포함하는 전자 조립체일 수 있다. 또한 마이크로프로세서, FPGA(Field Programmable Gate Array), 디지털 신호 프로세서 및 개인용 컴퓨터와 같은 디지털 전자 장치에서 구현되는 계산 알고리즘일 수 있다. 락-인 증폭기는 위의 진폭, 위상, 위상(X) 내 및 직교(Y) 구성요소 또는 모든 조합을 포함하여 진동 시스템의 다양한 메트릭을 나타내는 신호를 생성할 수 있다. 이러한 맥락에서 락-인 증폭기는 기준 주파수, 기준 주파수의 더 높은 고조파 및/또는 기준 주파수의 측파대 주파수 모두에서 이러한 측정을 생성할 수 있다.
프로브 광선과 관련하여 "검출기"는 검출기에 입사되는 광량을 나타내는 신호를 생성하는 광학 검출기를 지칭한다. 검출기는 실리콘 PIN 포토 다이오드, 갈륨 인화물 광검출기, 다른 반도체 검출기, 애벌랜치 포토 다이오드, 광전자 증 배관 및/또는 탐지기 표면에 입사되는 광의 양을 나타내는 신호를 생성하는 다른 검출기 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다양한 광학 검출기일 수 있다. 검출기는 또한 형광계 및/또는 라만 분광계일 수 있다. "협대역 광원"은 좁은 대역폭 또는 선폭을 갖는 광원, 예를 들어 8cm-1보다 작은 선폭의 광이지만, 일반적으로 선폭이 샘플의 관심 범위의 스펙트럼을 커버하지 않을 정도로 선폭이 좁은 광원일 수 있다.
본 발명은 사용된 적외선 파장의 회절 한계보다 훨씬 작은 길이 스케일에서 사실상 나노미터 스케일까지의 재료의 적외선 광학 특성의 측정치를 얻는 것에 관한 것이다. 현재의 접근법은 다른 SNOM 기반 기술을 방해하는 분산 아티팩트를 피하면서 나노미터 스케일 해상도로 샘플의 적외선 흡수 스펙트럼을 직접 측정할 수 있다. 이것은 IR 광과 다른 파장에서 수집된 산란된 프로브 광 신호가 SPM 프로브 팁 근처의 샘플에 의해 흡수된 IR 광의 양에 의존하는 샘플의 온도 상승에 비례하는 근거리 검출 시스템을 배열함으로써 달성된다.
도 1a는 예시적인 실시예의 단순화된 개략도를 도시한다. 적외선 빔(102)은 적외선 광원(100)으로부터 빔 결합기(104)를 향해 방출된다. 적외선 빔은 주파수 fIR에서 변조된다. 프로브 광원(106), 예를 들어 가시 레이저로부터 방출된 프로브 광 빔(108)은 빔 결합기(104)로부터 반사된다. 빔 결합기(104)는 가시광을 반사시키면서 적외선 빔(102)을 투과시키는 이색성 미러일 수 있지만, 또한 적외선 빔을 반사하고 가시광선을 전송하거나, 또는 사용되는 모든 파장을 결합할 수도 있다. 빔 결합기(104) 이후의 결합된 빔(114)은 스캐닝 프로브 현미경(SPM)의 프로브(118)의 팁(122) 부근에서 샘플(120) 상으로 빔을 포커싱하는 포커싱 광학계(116)를 향해 계속된다. 산란된 프로브 광(124), 즉 영역으로부터 발산되는 광은 동일한 포커싱 광학계(116)(또는 일부 다른 광학계에 의해)에 의해 수집될 수 있고, 쿼터 파장판(112)으로 향하여, 편광이 입사 빔에 대해 약 90도 회전되게 한다. 그 다음 편광 빔스플리터(110)는 편광 회전된 빔(126)을 입사 빔으로부터 분리하여 검출기(128)를 향하게 한다. 검출기(130)로부터 출력된 신호는 락-인 증폭기일 수 있는 복조기(132)에 의해 분석된다. 복조기(132)는 IR 광 변조 주파수 fIR(134)의 주파수에서 또는 fIR의 고조파(즉, m이 정수인 m×fIR)에서 복조한다. 일 실시예에서, 필터(127)는 빔(126)의 일부를 분리하여 샘플의 형광 또는 라만 신호를 수집하기 위해 형광 또는 라만 분광계(131)로 향할 수 있다. 프로브 광 파장에서 빔을 필터링하기 위해 형광 또는 라만 필터(129)가 사용될 수 있다.
삽입도로서 도1b는 프로브 및 샘플 영역의 확대도를 도시한다. 들어오는 적외선 빔(114)(도 1의 결합된 빔(114)의 구성요소)은 SPM 프로브 팁(122) 부근의 샘플(120)에 입사된다. 샘플에 의한 IR 빔(114)으로부터의 IR 광의 흡수는 흡수되는 광의 양에 대략 비례하는 국부적 온도 상승 ΔΤ를 야기한다. 가열된 영역(154)에서의 온도 변화는 굴절률의 변화를 n에서 n'= n + Δn(및 샘플의 열 팽창)으로 변화시킨다. 산란된 프로브 광선(124)의 진폭은 샘플 영역(154)의 반사율(SPM 프로브(118)의 특성)에 의존한다. 샘플 영역(154)의 온도 및 굴절률이 변함에 따라 샘플 영역의 반사율도 변한다. 결과적으로, 산란된 프로브 광(124)의 진폭은 샘플 영역(154)에 의한 IR 흡수로 인한 굴절률 Δη에서의 이러한 변화에 의해 교란된다. 따라서, 산란된 프로브 광의 진폭에서의 이러한 변화는 샘플 적외선 흡수 특성에 비례한 신호를 구성하는데 사용될 수 있다.
도 1a를 다시 참조하면, 일 실시예에서, IR 레이저(100)는 적어도 하나의 주파수 fIR에서 변조되어, 샘플에 의한 IR 방사선의 흡수로 인해 샘플(120)의 온도에서 주기적 변동을 생성한다. 위에서 논의된 바와 같이, 이는 샘플(124)로부터 산란된 프로브 광의 양의 변동 및 검출기(128)에 의해 검출된 광의 강도(126)의 변동을 초래할 수 있다. 일 실시예에서, 검출기(128)에 의해 생성된 신호는 IR 레이저 빔의 변조 주파수 fIR과 관련된 주파수에서 검출기(130)에 의해 수집된 광의 진폭을 복조하는 복조기로 전송된다. 복조는 fIR에서 직접, 그리고 fIR의 고조파(즉, m이 정수인 m×fIR)에서 수행될 수 있다. IR 레이저 변조 주파수와 2 차 변조의 주파수, 예를 들어 주파수 fIR에서 SPM 팁의 발진을 결합하는 측파대 주파수에서도 복조가 수행될 수 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 적외선 광원(100)은 "적외선 광원"의 정의에서 설명된 바와 같이 매우 다양한 IR 광원 중 임의의 것일 수 있다. 일 실시예에서, 이것은 펄스 적외선 레이저, 예를 들어 협대역 동조 가능 레이저이다. 일 실시예에서, IR 광원은 펄스 양자 캐스케이드 레이저(QCL)이다. 대안적으로 통합 또는 외부 변조기가 있는 CW 적외선 레이저일 수도 있다. 빔 결합기(102)는 IR 광을 통과하는 프로브 빔 또는 그것이 IR 광을 반사하고 가시광을 전달하는 역을 반사하는 광학 구성요소일 수 있다(이 경우 IR 및 프로브 광 빔 및 빔 결합기의 배향이 적절하게 조정될 것이다). 포커싱 광학계(116)는 단일 광학 요소, 예를 들어 렌즈 또는 포물선 거울일 수 있거나, 또는 SPM 프로브 팁(122) 근처에서 샘플(120)로 포커싱된 IR 및 가시광 빔을 전달하도록 임의의 수의 렌즈 및/또는 거울, 회절 구성요소 등을 포함하는 광학 구성요소 시스템일 수 있다.
편광 빔스플리터(110) 및 쿼터 파장판(112)의 사용은 편광에 기초하여 입력 및 발신 프로브 빔을 분리하는 효율적인 방법을 제공하지만, 다른 방식도 사용될 수 있다. 예를 들어 간단한 파장 분할기는 쿼터 파장판 없이 사용될 수 있다. 대안 적으로, 포커싱 광학계(116)와 다른 고체 각도로부터 전방 산란된 광 또는 광을 수집하기 위해 별도의 광 경로가 사용될 수 있다.
검출기(128)는 프로브 광의 파장 및 강도 및 특정 측정에 요구되는 대역폭에 따라 정의 섹션에 기술된 바와 같은 임의의 다양한 광학 검출기일 수 있다.
장치는 또한 동시 또는 순차적인 라만 분광법 및/또는 형광 측정을 가능하게하는 추가 필터, 검출기 및 분광계를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 하나 이상의 선택적 형광 및/또는 라만 필터(129)는 프로브 광원 중심 파장에서 광을 실질적으로 차단하고 프로브 파장으로부터 파장 편이된 광을 통과시키도록 설치될 수 있다. 이 접근법은 라만 및 형광 시프트된 광을 포함하지만 이에 제한되지 않는 비탄 산적으로 산란된 광의 검출을 허용한다. 추가의 선택적 검출기를 사용하여 파장 시프트된 광을 검출 및/또는 스펙트럼 분석할 수 있다. 구체적으로, 라만 분광계는 프로브 광선에 의한 여기(excitation)로 인해 팁-샘플 영역에서 나오는 광으로부터 라만 스펙트럼을 측정하는데 사용될 수 있다.
예시적인 방법의 흐름도가 도 6에 도시되었다. 단계(60)에서, IR 광원은 원하는 파장으로 조정된다. 단계(61)에서, IR 광원은 주파수 fIR에서 펄싱된다. 이것은 내부 펄스 컨트롤러 또는 외부 초퍼(chopper)에 의해 달성될 수 있다. 단계(62)에서, SPM 프로브는 주파수 fIR에서 진동하며, 일부 실시예에서, fO는 0Hz일 수 있다. 단계(63)에서, SPM 프로브 팁이 샘플 위에 놓인다. 이는 팁 또는 샘플 또는 이 둘의 조합을 움직여 달성할 수 있다. 이후 단계(64)에서, IR 광 및 프로브 광은 SPM 프로브 팁 부근에서 샘플의 영역을 조명하기 위해 사용된다. 단계(65)에서, 샘플로부터 산란된 프로브 광이 수집되고(66) 수집된 프로브 광이 복조되어 m 및 n 정수의 주파수 m×fIR + n×fo에서 신호를 구성한다. 이 측정은 샘플(단계(67)) 및/또는 파장(단계(68))의 여러 위치에서 반복될 수 있다.
도 7은 IR 광원이 광대역 광원인 도 1a의 수정된 구현을 도시한다. 적외선 빔(702)은 광대역 적외선 광원(700)으로부터 IR 빔스플리터(704)를 향해 방출된다. 빔(706)의 일부는 정적 미러(708)를 향해 반사된다. 빔의 일부는 병진 스테이지(714)에 부착된 이동 미러(712)를 향해 전송된다(710). IR 빔스플리터(704) 이후의 빔(716)은 빔 결합기(718)를 향한다. IR 빔스플리터(704), 정적 미러(708) 및 이동 미러(712)는 광대역 스펙트럼 검출을 위한 간섭계로서 형성된다. 프로브 광원(720), 예를 들어 가시 레이저로부터 방출된 프로브 광선(722)은 빔 결합기(718)로부터 반사된다. 빔 결합기(718)는 가시광을 반사시키면서 적외선 빔(716)을 투과시키는 이색성 거울일 수 있지만, 또한 적외선 빔을 반사하고 가시광선을 전송하거나, 또는 사용되는 모든 파장을 결합할 수 있다. 빔 결합기(718) 이후의 결합된 빔(728)은 SPM의 프로브(732)의 팁(736) 부근에서 샘플(734) 상으로 빔을 포커싱하는 포커싱 광학계(730)을 향해 계속된다. 산란된 프로브 광(738), 즉 영역으로부터 발산되는 광은 동일한 포커싱 광학계(730)(또는 일부 다른 광학계에 의해)에 의해 수집된 다음 쿼터 파장판(726)으로 향해질 수 있으며, 그에 따라 편광이 입사 빔에 대해 90도 회전된다. 그 다음 편광 빔스플리터(724)는 편광 회전된 빔(740)을 입사 빔으로부터 분리하여 검출기(742)를 향해 지향시킨다. 검출기(744)로부터 출력된 신호는 복조기(746)에 의해 분석되며, 이는 락-인 증폭기일 수 있다. 복조기(746)는 IR 광 변조 주파수(fIR)의 주파수(748)에서, 또는 fIR의 고조파에서(즉, m은 정수인 m×fIR) 복조한다.
입사광 및 산란광의 상이한 구성 또는 배향이 구현될 수 있다. 예를 들어, 들어오는 광은 샘플의 윗면에서 집중될 수 있고 산란된 광은 샘플의 반대쪽에서 수집될 수 있다. 또는 들어오는 광은 바닥에서 입사하고 산란된 광은 위쪽에서 수집된다. 입사 방향 및 산란된 광의 임의의 조합이 채택될 수 있으며, 일부 구성이 도 2-5에 열거되어 있다.
도 2는 상향식 전송 지오메트리를 이용한 대안적인 구현을 도시한다. 적외선 빔(202)은 적외선 광원(200)으로부터 빔 결합기(204)를 향해 방출된다. 프로브 광원(206)으로부터 방출된 프로브 광선(208)은 빔 결합기(204)로부터 반사된다. 빔 결합기(204)가 일부에 의해 안내된 후에 결합된 빔(210) 초점을 맞추기 위해 광학 부(212)는 대물 렌즈(214)로 향한다. 다크 필드 대물 렌즈는 신호 대 잡음비(S/N)를 개선하기 위해 변조를 증가시키도록 직접 조명된 프로브 광선을 감소시키고자 사용될 수 있다. 포커싱 빔(216)은 프로브 현미경의 프로브(220)의 단부(222) 부근에서 샘플(218)을 조명한다. 산란 또는 발산된 프로브 광(224)은 검출기(228)에 의해 수집 및 검출된다. 산란된 프로브 빔을 분석하여 샘플의 적외선 흡수 특성을 추출하는 원리는 도 1b에서와 동일하다.
도 3은 개구형 스캐닝 근거리 광학 현미경에 기초한 대안적인 실시예를 도시한다. 적외선 빔(302)은 적외선 광원(300)으로부터 빔 결합기(304)를 향해 방출된다. 프로브 광원(306)으로부터 방출된 프로브 광선(308)은 빔 결합기(304)로부터 반사된다. 빔 결합기(304) 이후에 결합된 빔(310)은 계속해서 개구 프로브 현미경(318)의 프로브(316)의 선단 부근에서 샘플(314) 상에 빔을 포커싱하는 포커싱 광학계를 향한다. 산란된 프로브 광은 프로브의 개구를 통해 수집되고, 섬유 또는 다른 광학계(320)를 통해 검출기(322)로 전송될 수 있다. 개구로부터 검출기로의 신호의 전송은 또한 자유 공간에서 수행될 수 있다.
도 4는 개구형 스캐닝 근거리 광학 현미경에 기초한 다른 대안적인 실시예를 도시한다. 적외선 빔(402)은 적외선 광원(400)으로부터 빔 결합기(404)를 향해 방출된다. 프로브 광원(406)으로부터 방출된 프로브 광선(408)은 빔 결합기(404)로부터 반사된다. 빔 결합기(404) 후 결합된 빔(410)은 일부 광학계(412)에 의해 초점을 맞추기 위한 대물 렌즈(414)로 안내된다. 포커싱 빔(416)은 개구 프로브 현미경(422)의 프로브(420)의 팁 부근에서 샘플(418)을 조명한다. 산란된 프로브 광은 프로브의 개구를 통해 수집되고, 섬유 및/또는 다른 광학계(424)를 통해 검출기(426)로 전송될 수 있다. 개구로부터 검출기로의 신호의 전송은 또한 자유 공간에서 수행될 수 있다.
도 5는 개구형 스캐닝 근거리 광학 현미경에 기초한 다른 대안적인 구현을 도시한다. 적외선 광선(502)은 적외선 광원(500)으로부터 포커싱 광학계(504)를 향해 방출된다. 포커싱된 적외선 광선(506)은 샘플(508)에 포커싱된다. 프로브 광원(510)으로부터 방출된 프로브 광선(512)은 일부 광학계(514)에 의해 안내된다. 개구(518)를 통한 프로브 광 빔(520)은 포커싱된 적외선 빔(506)과 동일한 영역을 조명한다. 샘플을 통과한 후 프로브 광(522)은 대물 렌즈(524)에 의해 수집된다. 수집된 프로브 광은 이후 일부 광학계(526)에 의해 검출기(528)로 안내된다.
이 섹션에서 우리는 특정 실시예들에서 사용된 검출 메커니즘의 기본 원리들을보다 상세하게 설명한다. 이 설명은 단지 예시적인 것이며 청구범위의 범위를 제한하려는 것이 아님에 유의한다. 보다 정밀한 분석을 통해 보다 정교한 분석을 적용할 수 있지만, 현재 논의는 검출 방안의 메커니즘을 보여주는 하나의 모델을 설명하기 위한 것이다.
측정 가능한 IR 흡수 관련 광학 특성에 대한 하나의 가능한 메커니즘은 시간 의존적 광열 효과인 국소 가열에 의한 굴절률의 변화이다. 적외선에 의한 조명으로 인한 국소 온도 변화는 프로브 광 파장에서 굴절률 변화를 유발한다). 굴절률의 국소 불균일성은 프로브 광 산란에 대한 진폭의 변화를 야기한다. 산란된 프로브 광의 진폭 변화는 적외선 흡수 스펙트럼을 구성하기 위해 분석될 수 있다. 프로세스는 다음과 같이 공식화되고:
흡수 단면 σ, 수 밀도 N, 열전도 k, 열용량 Cp, 프로브 파장에서의 굴절률 n, 온도 T, 프로브 광 전력 Ppr, 적외선 전력 PIR을 가진다. 달성 가능한 신호 레벨을 설명하기 위한 예로서, 굴절률의 온도 의존적 변화는 가시 파장 범위에서 PMMA, 폴리카보네이트 및 물의 경우 10-4/K 정도이다(Cariou 외 다수에 의한 Applied Optics 참조). 그러나 이러한 수준의 인덱스 변화는 변조 및 복조 기술을 사용하여 쉽게 검출될 수 있다. 본 명세서에 개시된 일부 실시예에 의해 달성될 수 있는 공간 분해능은 적외선의 회절 한계보다 훨씬 작으며, 통합된 참조에서 논의된 SNOM 기술에서와 동일하다. 분해능 개선은 날카로운 SPM 팁으로 인한 입사 방사선 장의 국부적 향상에서 비롯된다. 향상된 방사선 장은 샘플와 상호작용한 다음 방사선을 원거리로 산란한다. 이러한 근접장 향상은 팁-샘플 영역으로부터 산란된 방사선의 양을 증가시켜 산란된 방사선을 보다 쉽게 검출할 수 있게 한다.
적외선을 직접 검출하는 것에 기초한 종래의 SNOM 기술과 비교하여, 본 발명은 IR 광의 검출이 아닌 프로브 광 검출에 기초한다. 프로브 광에서 검출함으로써, 적외선으로부터 비-국소적 배경 산란이 억제되어, 개시된 실시예들 중 일부가 IR 중반에 산란된 광의 분산 기여에 둔감하게 한다.
공간 분해능은 IR 조명 후 가열된 영역의 주위로의 열 확산에 의해 제한될 수 있다. 빠른 변조 속도 fIR는 열 확산을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다.
일 실시예에서, 프로브 광 파장은 샘플의 투명한 영역에서 선택될 수 있으므로, 샘플 흡수는 무시할 수 있다. 따라서 프로브 광 빔 강도는 광자 노이즈를 감소시키기 위해 증가될 수 있다. 효율성을 높이기 위해 적외선과 프로브 광선을 같은 지점으로 공동 초점을 맞출 수 있다.
수집된 프로브 광으로부터 신호를 추출하기 위해 상이한 변조 및 복조 방식이 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 적외선 레이저는 SPIR 프로브 기계적 진동 주파수 fo의 2배의 fIR로 적외선 빔과 SPM 프로브 기계적 진동을 동기화하여 주파수 fIR에서 변조될 수 있다. SPM 프로브 발진으로 들어오는 광의 타이밍을 조정함으로써, 팁이 샘플 위에 있을 때 하나의 IR 펄스가 샘플에 부딪히고 팁이 샘플에서 떨어져있을 때 다음 IR 펄스가 샘플에 부딪힌다. 이 두 가지 경우에 수집된 프로브 광은 온도의 변화와 IR 유무에 따른 국소 샘플 굴절률로 인해 상이하다. 팁이 표면 상에 있을 때 신호로부터 팁이 표면으로부터 떨어져 있는 경우 프로브 광 신호를 감산함으로써, 국부적 적외선 흡수 특성에 비례하는 최종 신호가 얻어질 수 있다.
다른 실시예에서, fIR을 fIR의 고조파로 선택할 수 있다(즉, 정수 m을 갖는 m×fo). m> 2의 경우, 하나의 SPM 프로브 발진 주기 내에서 여러 IR 펄스가 서로 다른 시간에 샘플에 도달한다. 수집된 프로브 광 진폭 대 팁-샘플 거리 의존성을 분석함으로써 최종 신호를 추출할 수 있다. fIR이 fIR의 배수가 아닌 더 복잡한 샘플링 방법이 시연되었다.
2차 변조 주파수, 예를 들어 주파수 fIR에서 SPM 팁의 진동으로 IR 레이저 변조 주파수 fIR를 결합하는 측파대 주파수에서도 복조를 수행할 수 있다. 이 경우에 수집된 프로브 광은 n 및 m 정수를 갖는 주파수 n×fO + m×fIR에서 복조된다.
적외선 광원은 펄스 또는 변조될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 광원을 지정된 속도로 펄스하도록 명령하는 트리거 또는 동기 펄스를 생성할 수 있다. 대안적으로, 광원은 내부 타이밍에 기초하여 펄스화하고 동기 펄스를 제어기로 다시 전송할 수 있다. 대안적으로, 광원은 그것의 강도를 주기적으로 변조하는 외부 변조기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 광원은 10kHz, 100kHz 또는 1MHz를 초과하는 주파수에서 변조 또는 펄스화된다. 고주파에서 적외선을 변조하면 유효 열 확산 길이가 줄어들며, 그렇지 않으면 이 기술의 공간 분해능이 손상될 수 있다.
그 후, 검출된 프로브 광은 제어기 및/또는 외부 신호 컨디셔닝/복조 전자 장치에 의해 분석된다. 일 실시예에서, 검출기 신호는 락-인 증폭기 또는 등가의 장치에 의해 분석되어 레이저 광원의 변조 주파수 fIR 또는 n이 정수인 그의 고조파 주파수 n×fIR에서 프로브 광 변조의 진폭을 측정한다. 락-인 증폭기와 같은 위상 감지 검출을 사용함으로써 샘플에 의해 흡수되고 샘플 가열로 인한 프로브 광의 진폭의 주기적 편차를 야기하는 적외선의 영향만을 측정할 수 있다. 샘플상의 복수의 위치에서 프로브 광 변조의 진폭을 측정함으로써, 샘플의 적외선 응답의 이미지를 만들 수 있다. 이러한 배열의 한 양태는 샘플의 적외선 특성이 샘플을 조명하는 적외선 광원의 회절 한계 미만의 스케일로 측정될 수 있다는 것이다. 대신, 공간 분해능은 주사 근거리 광학 현미경의 공간 분해능에 의해서만 제한된다.
일 실시예에서, 튜닝 가능한 QCL이 적외선 광원으로서 사용될 수 있다. 출력 적외선의 빠른 스위핑 파장에 의해, 적외선 스펙트럼이 얻어질 수 있다.
스펙트럼 선폭이 일반적으로 < 10cm-1이고 가능하게는 < 1cm-1인 협대역 소스의 경우 예로서, 적외선 소스의 방출 파장(또는 등가의 파수)의 함수로 프로브 광 변조를 측정하여 스펙트럼을 직접 생성할 수 있다. 광대역 소스(일반적인 선폭 > 100cm-1)의 경우, 푸리에 변환 기술을 사용하여 프로브 광의 진폭 변조의 파장 의존성을 추출하여 스펙트럼을 추출하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, IR 소스로부터의 광은 샘플 상에 광이 입사하기 전에 빔스플리터, 고정 거울 및 이동 거울을 포함하는 간섭계를 통과한다. 간섭계 내의 이동 거울은 인터페로그램을 생성하도록 프로브 광의 진폭 변조를 신호로서 모니터링하면서 다양한 위치 범위에 걸쳐서 스캔될 수 있다. 인터페로그램은 스펙트럼을 얻기 위해 변환된 푸리에일 수 있다.
초점이 맞춰진 IR, 프로브 광점 및 SPM 프로브를 고정하여 공간적으로 분석된 맵이 생성될 수 있으며, 그 결과 예를 들어 샘플 스캐너 등을 사용하여 이러한 포커싱된 스팟에 대해 샘플이 스캔될 수 있다.
일 실시예에서, IR 소스는 열원, 예를 들어 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법 및 현미경에 사용되는 바와 같은 글로바일 수 있다. 대안적으로 예를 들어 Axetris 또는 NovaIR 또는 다른 공급업체로부터의 작은 면적의 열 방출기가 사용될 수 있다. 열 방출기의 경우, 장치의 온도 또는 출력 IR 전력을 변조하는 것이 바람직하다. 일부 상업용 소 면적 열 방출기는 100Hz 체제까지 변조할 수 있다. 저항성 히터가 내장된 SPM 캔틸레버는 작은 활성 영역과 작은 열 시간 상수로 인해 kHz 범위에서 변조할 수 있다. 10 kHz 범위의 주파수에서 변조할 수 있는 열 방출기가 제조되었다. 다양한 외부 변조기, 예를 들어 광탄성 변조기, 고속 초퍼, MEMS 미러, 압전 변형 미러 및 적외선 빔의 강도, 각도 및/또는 집중된 스팟 크기를 조정할 수 있는 기타 변조기가 사용될 수 있다.
프로브 광원은 일반적으로 협대역 광원으로 선택된다. 그 이유는 주어진 온도에서 샘플의 광학 특성이 좁은 파장 범위에서 실질적으로 일정하기 때문이다. 동작 이론 하에서, 본 장치는 IR 광원으로부터 IR 광의 샘플 영역에 의한 흡수로 인해, 샘플 광의 반사율의 의존적 변화를 감지하기 위해 프로브 광 빔을 사용한다. IR 광원이 복수의 파장에 걸쳐 샘플을 여기시킬 수 있도록 큰 튜닝 범위 또는 광대역 방출을 갖도록 선택되는 동안, 프로브 광원은 일반적으로 광학 특성이 실질적으로 일정한, 고정된 파장에 있도록 선택된다. 그 다음, IR 방사선의 흡수로 인해 샘플이 가열됨에 따라, 프로브 광원의 대역폭에 걸친 파장 의존적 광학 특성 변화에 대한 걱정없이 프로브 파장에서의 국부 반사율이 모니터링될 수 있다. 광학 특성이 일정한 고정된 파장 빔으로 프로브함으로써, 현재의 방법 및 장치는 IR 중반에서 산란된 광의 분석에 존재할 수 있는 분산 기여를 피할 수 있으며, 여기에서 특히 굴절률의 실수와 허수 모두의 광학 특성에 큰 파장 의존적 변화가 존재한다. 현재의 방법 및 장치는 IR 흡수의 측정을 개별적으로 가능하게 하여, 실제 굴절률의 변화의 영향을 실질적으로 억제한다.
일 실시예에서, 협대역 프로브 광은 가시광선, 근적외선 또는 UV 레이저일 수 있다. 유리하게는, 프로브 광원은 라만 분광법 및 형광 이미징에 사용되는 광원과 유사하거나 동일할 수 있다. 이와 같이, 이 장치는 IR 흡수 스펙트럼 및 라만 스펙트럼 및 형광 측정의 동시 또는 순차적 측정을 가능하게 할 수 있다. 이 경우, 샘플로부터의 프로브 광은 라만 스펙트럼 및 적외선 흡수 스펙트럼을 동시에 얻기 위해 라만 분광계에 의해 수집될 수 있다. 또한, 수집된 프로브 광의 일부는 또한 하나 이상의 형광 필터에 의해 여과될 수 있고 샘플의 형광 반응을 결정하기 위해 분석될 수 있다. IR 흡수에 대한 동시 라만 및/또는 형광 분광법을 위한 협대역 광원과 관련하여, 중심 파장은 다음의 파장: 244㎚, 257㎚, 325㎚, 364㎚, 457㎚, 4 73㎚, 488㎚, 514㎚, 532㎚, 633㎚, 660㎚, 785㎚, 830㎚, 980㎚ 및 1064㎚ 중 하나와 실질적으로 동일하게 선택될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예는 예시적이다. 변형, 재배치, 대체 공정, 대안 적 요소 등이 이들 실시예에 이루어질 수 있으며 여기에 제시된 교시 내에 여전히 포함된다. 본 명세서에 기술된 단계, 프로세스 또는 방법 중 하나 이상은 적절하게 프로그램된 하나 이상의 처리 및/또는 디지털 디바이스에 의해 수행될 수 있다.
실시예에 따라, 본 명세서에 설명된 임의의 방법 단계의 특정 동작, 이벤트 또는 기능은 상이한 순서로 수행될 수 있고, 추가, 병합 또는 생략될 수 있다(예를 들어, 모든 설명된 동작 또는 이벤트가 알고리즘의 실행을 위해 필요한 것은 아니다). 더욱이 특정 실시예에서, 동작 또는 이벤트는 순차적이 아니라 동시에 수행될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 광학 및 SPM 제어 요소들 및 방법 단계들은 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 하드웨어 및 소프트웨어의 이러한 상호교환성을 명확하게 설명하기 위해, 다양한 예시적인 구성요소, 블록, 모듈 및 단계가 일반적으로 그 기능의 관점에서 설명되었다. 이러한 기능이 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되는지 여부는 전체 시스템에 부과된 특정 응용 프로그램 및 설계 제약 조건에 따라 다르다. 설명된 기능은 각각의 특정 애플리케이션에 대해 다양한 방식으로 구현될 수 있지만, 그러한 구현 결정이 본 개시의 범위를 벗어나는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 명세서에 개시된 실시예와 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록 및 모듈은 특정 명령으로 구성된 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC), 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그램 가능한 로직 장치, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 구성요소, 또는 본 명세서에 설명된 기능을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합과 같은 장치에 의해 구현 또는 수행될 수 있다. 프로세서는 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안적으로 프로세서는 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신, 동일한 것들의 조합 등일 수 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 장치의 조합, 예를 들어 DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어와 관련된 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 임의의 다른 그러한 구성으로서 구현될 수 있다.
여기에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법, 프로세스 또는 알고리즘의 요소들은 하드웨어, 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈, 또는 이 둘의 조합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 이동식 디스크, CD-ROM, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 형태의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 상주할 수 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서가 저장 매체로부터 정보를 판독하고 정보를 기록할 수 있도록 프로세서에 연결될 수 있다. 대안적으로, 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수 있다. 프로세서 및 저장 매체는 ASIC에 상주할 수 있다. 소프트웨어 모듈은 하드웨어 프로세서로 하여금 컴퓨터 실행 가능 명령어를 실행하게하는 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있다.
달리 구체적으로 언급되지 않거나 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, "할 수 있는", "예를 들어" 등과 같은 본 명세서에서 사용되는 조건부 언어는 일반적으로 전달하도록 의도되는 동시에, 다른 실시예는 다른 실시예가 특정 특징, 요소 및/또는 상태를 포함하지 않는 것을 포함한다. 따라서, 이러한 조건부 언어는 일반적으로 특징, 요소 및/또는 상태가 어떤 방식으로든 하나 이상의 실시예에 필요하거나 하나 이상의 실시예가 필자 입력 또는 프롬프트 여부를 결정하기 위한 논리를 반드시 포함한다는 것을 의미하지는 않는다. 이들 특징, 요소 및/또는 상태는 임의의 특정 실시예에서 포함되거나 수행되어야 한다. "포함하는", "갖는", "포괄하는" 등의 용어는 동의어이고 개방형 방식으로 포괄적으로 사용되며, 추가 요소, 특징, 행위, 작동 등을 배제하지 않는다. 또한, "또는"이라는 용어는 포괄적인 의미로 (그리고 배타적인 의미로) 사용되지 않으므로, 예를 들어, 요소 목록을 연결하기 위해 사용될 때 "또는"이라는 용어는 목록의 요소 중 하나, 일부 또는 전부를 의미한다.
달리 구체적으로 언급되지 않는 한, "X, Y 또는 Z 중 적어도 하나"라는 어구와 같은 이접적 접속사 언어는 항목, 용어 등이 X, Y 또는 Z, 또는 이들의 임의의 조합(예를 들어, X, Y 및/또는 Z)임을 나타내도록 일반적으로 사용된다. 따라서, 이러한 이접적 접속사 언어는 일반적으로 특정 실시예가 적어도 하나의 X, 적어도 하나의 Y, 또는 적어도 하나의 Z가 각각 나타내어질 것을 요구함을 의도하지 않으며 이를 의미해서는 안된다.
"약" 또는 "대략" 등의 용어는 동의어이며, 용어에 의해 수정된 값이 그와 관련된 이해된 범위를 가지며, 이 범위는 ±20%, ±15%, ±10%, ±5% 또는 ±1%일 수 있음을 나타내는 데 사용된다. "실질적으로"라는 용어는 결과(예를 들어, 측정 값)가 목표 값에 가깝다는 것을 나타내기 위해 사용되는데, 여기서 근접은, 예를 들어 결과가 값의 80% 이내, 값의 90% 이내, 값의 95% 이내 또는 값의 99% 이내임을 의미할 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, 단수 형태의 명사는 일반적으로 하나 이상의 설명된 항목을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, "구성된 장치"와 같은 문구는 하나 이상의 언급된 장치를 포함하도록 의도된다. 이러한 하나 이상의 인용된 장치는 또한 언급된 열거를 수행하도록 집합적으로 구성될 수 있다. 예를 들어, "열거 A, B 및 C를 수행하도록 구성된 프로세서"는 열거 B 및 C를 수행하도록 구성된 제 2 프로세서와 함께 작동하는 열거 A를 수행하도록 구성된 제 1 프로세서를 포함할 수 있다.
시스템, 장치 및 방법의 다양한 실시예가 여기에 설명되었다. 이들 실시예는 단지 예로서 제공되며 청구된 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 설명된 실시예들의 다양한 특징들은 다양한 추가 실시예들을 생성하기 위해 다양한 방식으로 결합될 수 있음을 이해해야 한다. 더욱이, 다양한 재료, 치수, 형상, 구성 및 위치 등이 개시된 실시예와 함께 사용하기 위해 설명되었지만, 개시된 것 이외의 다른 것들은 청구된 발명의 범위를 초과하지 않고 이용될 수 있다.
관련 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 주제가 전술한 임의의 개별 실시예에 예시된 것보다 적은 특징을 포함할 수 있음을 인식할 것이다. 본 명세서에 기술된 실시예는 본 발명의 주제의 다양한 특징이 조합될 수 있는 방식의 철저한 표현을 의미하지는 않는다. 따라서, 실시예는 상호 배타적인 특징의 조합이 아니며; 오히려, 다양한 실시예는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 다른 개별 실시예로부터 선택된 다른 개별 특징의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 달리 언급되지 않는 한, 일 실시예와 관련하여 설명된 요소는 그러한 실시예에서 설명되지 않은 경우에도 다른 실시예에서 구현될 수 있다.
종속 청구항은 청구 범위에서 하나 이상의 다른 청구 범위와의 특정 조합을 언급할 수 있지만, 다른 실시예는 각각 다른 종속 청구항의 주제사항과 종속 청구항의 조합 또는 하나 이상의 특징과 다른 종속 또는 독립 청구항의 조합을 또한 포함할 수 있다. 이러한 조합은 특정 조합이 의도되지 않은 것으로 언급되지 않는 한 본원에서 제안된다.
상기 문헌을 참조하여 임의의 통합은 본 명세서의 명시적인 개시와 반대되는 주제가 포함되지 않도록 제한된다. 상기 문헌을 참고로 하여 포함되는 것은 본 명세서에 참고로 포함된 청구 범위가 포함되지 않도록 추가로 제한된다. 상기 문헌을 참고로 하여 포함되는 것은 본원에 명시적으로 포함되지 않는 한, 본원에 제공된 임의의 정의가 본원에 참고로 포함되지 않도록 더욱 제한된다.
청구범위를 해석하기 위해, 35 U.S.C. § 112(f)는 "를 위한 수단" 또는 "를 위한 단계"라는 특정 용어가 청구범위에 언급되지 않는 한 원용되지 않는다.
Claims (16)
- 샘플 영역의 적외선 흡수 스펙트럼을 측정하는 방법으로서,
a. 스캐닝 프로브 현미경의 팁을 샘플 영역과 상호작용시키는 단계;
b. 적외선 광원으로부터의 적외선 빔으로 샘플 영역을 조명하는 단계;
c. 협대역 광원으로부터의 프로브 광으로 샘플 영역과 팁을 조명하는 단계;
d. 프로브 광을 수집하는 단계 -상기 수집된 프로브 광은 상기 샘플 영역으로부터 반사되어 발산됨-; 및
e. 상기 수집된 프로브 광을 분석하여 샘플 영역의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 신호를 구성하도록 수집된 발산 프로브 광의 진폭에서의 변화를 사용하는 단계를 포함하고,
IR 광과 다른 파장에서, 수집된 산란된 프로브 광 신호가 SPM 프로브 팁 근처의 샘플에 의해 흡수된 IR 광의 양에 의존하는 샘플에서의 온도 상승에 비례하는 근거리 검출 시스템이 배열되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 협대역 광원의 대역폭이 8 cm-1 미만인, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 광원은 동조 가능한(tunable) 적외선 레이저를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 광원은 글로바(globar) 또는 펨토-초(femto-second) 레이저를 포함하고, 상기 방법은 상기 광대역 소스로부터 스펙트럼을 구성하기 위해 고속 푸리에 변환을 사용하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 흡수 스펙트럼이 10nm 미만의 공간 분해능으로 측정되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 빔은 샘플 위로부터 비스듬한 각도로 샘플을 조명하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 빔은 주파수 fIR에서 변조되고, 상기 분석 단계는 n이 정수인 주파수 n*fIR에서 수집된 프로브 광의 진폭을 복조하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 상호작용 단계는 프로브의 공진 주파수 fo에서 팁을 진동시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제8항에 있어서,
상기 수집된 프로브 광은 n이 정수인 주파수 n*fo에서 복조되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수집된 프로브 광의 적어도 일부는 라만 분광계로 전달되고, 라만 분광계에 의해 수집된 프로브 광이 적외선 흡수 스펙트럼과 동일한 샘플 영역에서 팁 강화된 라만 분광법을 수행하도록 사용되는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 협대역 광원은: 244㎚, 257㎚, 325㎚, 364㎚, 457㎚, 473㎚, 488㎚, 514㎚, 532㎚, 633㎚, 660㎚, 785㎚, 830㎚, 980㎚ 및 1064㎚ 중 하나와 동일한 중심 파장을 갖는, 방법. - 제7항에 있어서,
상기 복조 단계는 n의 복수의 정수 값에서 수행되는, 방법. - 샘플 영역의 적외선 흡수를 측정하기 위한 시스템으로서,
상기 시스템은
프로브 팁, 적외선 광원, 협대역 프로브 광원, 프로브 광검출기 및 제어, 데이터 획득 및 데이터 분석 요소를 포함하는 적어도 하나의 컴퓨팅 장치를 구비한 스캐닝 프로브 현미경(SPM)을 포함하고,
상기 시스템은:
a. 상기 팁을 샘플 영역과 상호작용시키고;
b. 상기 적외선 광원으로부터의 적외선 빔으로 샘플 영역을 조명하고;
c. 협대역 프로브 광 빔으로 상기 샘플 영역과 팁을 조명하고;
d. 프로브 광검출기로 샘플 영역으로부터 프로브 광을 수집하며;
e. 상기 수집된 프로브 광을 분석하여 샘플 영역의 적외선 흡수 스펙트럼을 나타내는 신호를 구성하도록 수집된 발산 프로브 광의 진폭에서의 변화를 사용하고,
IR 광과 다른 파장에서, 수집된 산란된 프로브 광 신호가 SPM 프로브 팁 근처의 샘플에 의해 흡수된 IR 광의 양에 의존하는 샘플에서의 온도 상승에 비례하는 근거리 검출 시스템이 배열되는, 시스템. - 제13항에 있어서,
변조기 및 복조기를 더 포함하여,
a) 적외선의 강도를 변조하고;
b) 수집된 프로브 광의 진폭을 결정하기 위해 상기 수집된 프로브 광을 복조하도록 추가로 구성되며, 상기 수집된 프로브 광의 진폭은 샘플의 서브미크론 영역의 적외선 흡수 스펙트럼을 구성하도록 사용되는, 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 적외선 광원은 양자 캐스케이드 레이저(QCL), 글로바(Globar) 및 팸토초 레이저를 포함하는 군으로부터 선택되는 동조 가능한 적외선 레이저를 포함하는, 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 협대역 프로브 광원은 가시 레이저, 근-적외선 레이저, 중-적외선 레이저 및 자외선 레이저로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201762469349P | 2017-03-09 | 2017-03-09 | |
| US62/469,349 | 2017-03-09 | ||
| KR1020197029471A KR20190128192A (ko) | 2017-03-09 | 2018-03-09 | 광열 효과에 기반한 적외선 스캐닝 근접장 광학 현미경법을 위한 방법 및 장치 |
| PCT/US2018/021814 WO2018165591A1 (en) | 2017-03-09 | 2018-03-09 | Method and apparatus for infrared scanning near-field optical microscopy based on photothermal effect |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020197029471A Division KR20190128192A (ko) | 2017-03-09 | 2018-03-09 | 광열 효과에 기반한 적외선 스캐닝 근접장 광학 현미경법을 위한 방법 및 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240006703A true KR20240006703A (ko) | 2024-01-15 |
Family
ID=63444936
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020197029471A KR20190128192A (ko) | 2017-03-09 | 2018-03-09 | 광열 효과에 기반한 적외선 스캐닝 근접장 광학 현미경법을 위한 방법 및 장치 |
| KR1020237045075A KR20240006703A (ko) | 2017-03-09 | 2018-03-09 | 광열 효과에 기반한 적외선 스캐닝 근접장 광학 현미경법을 위한 방법 및 장치 |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020197029471A KR20190128192A (ko) | 2017-03-09 | 2018-03-09 | 광열 효과에 기반한 적외선 스캐닝 근접장 광학 현미경법을 위한 방법 및 장치 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10473693B2 (ko) |
| EP (1) | EP3593149A4 (ko) |
| JP (2) | JP2020511646A (ko) |
| KR (2) | KR20190128192A (ko) |
| CN (1) | CN110573887B (ko) |
| WO (1) | WO2018165591A1 (ko) |
Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10677722B2 (en) | 2016-04-05 | 2020-06-09 | University Of Notre Dame Du Lac | Photothermal imaging device and system |
| EP3867629A1 (en) | 2016-09-27 | 2021-08-25 | Purdue Research Foundation | Depth-resolved mid-infrared photothermal imaging of living cells and organisms with sub-mciron spatial resolution |
| US10969405B2 (en) | 2016-11-29 | 2021-04-06 | Photothermal Spectroscopy Corp. | Method and apparatus for sub-diffraction infrared imaging and spectroscopy and complementary techniques |
| KR102286162B1 (ko) * | 2017-05-10 | 2021-08-06 | 한국전자통신연구원 | 대역확산 기법을 이용한 바이오 광학 신호 처리 장치 및 그 방법 |
| US10942116B2 (en) | 2017-10-09 | 2021-03-09 | Photothermal Spectroscopy Corp. | Method and apparatus for enhanced photo-thermal imaging and spectroscopy |
| DE102017127424B3 (de) * | 2017-11-21 | 2019-04-25 | Bruker Optik Gmbh | Mikroskop |
| EP3743732A4 (en) * | 2018-01-22 | 2021-09-15 | Lehigh University | SYSTEM AND PROCEDURE FOR AN OPTICAL SCREENING FIELD MICROSCOPY WITH NON-TAPPING MODE |
| US11486761B2 (en) | 2018-06-01 | 2022-11-01 | Photothermal Spectroscopy Corp. | Photothermal infrared spectroscopy utilizing spatial light manipulation |
| US11493323B2 (en) | 2019-01-03 | 2022-11-08 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Infrared-optical hybrid imaging technology for all-digital histopathology |
| US11137350B2 (en) * | 2019-01-28 | 2021-10-05 | Kla Corporation | Mid-infrared spectroscopy for measurement of high aspect ratio structures |
| US11480518B2 (en) | 2019-12-03 | 2022-10-25 | Photothermal Spectroscopy Corp. | Asymmetric interferometric optical photothermal infrared spectroscopy |
| CN113739920A (zh) * | 2020-05-27 | 2021-12-03 | 中国科学院微电子研究所 | 近场光学偏振光谱仪 |
| CN111912813B (zh) * | 2020-07-13 | 2023-07-18 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种纳米热红外显微术装置 |
| US20230129884A1 (en) | 2020-07-20 | 2023-04-27 | Photothermal Spectroscopy Corp. | Fluorescence enhanced photothermal infrared spectroscopy and confocal fluorescence imaging |
| CN116438444A (zh) * | 2020-09-04 | 2023-07-14 | 波士顿大学理事会 | 荧光编码的中红外光热显微镜 |
| CN112730315B (zh) * | 2020-12-25 | 2022-06-24 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种高分辨率太赫兹近场光谱测试系统 |
| KR102503113B1 (ko) * | 2021-01-20 | 2023-02-23 | 인천대학교 산학협력단 | 시료 표면의 전기장 분포 분석 장치 |
| US11709352B2 (en) | 2021-03-25 | 2023-07-25 | Trustees Of Boston University | Dark-field mid-infrared photothermal microscopy |
| WO2023049225A2 (en) * | 2021-09-22 | 2023-03-30 | The Research Foundation For The State University Of New York | Scattering-type scanning near-field optical microscopy with akiyama piezo-probes |
| US11619649B1 (en) | 2021-11-26 | 2023-04-04 | Park Systems Corp. | Atomic force microscope equipped with optical measurement device and method of acquiring information on surface of measurement target using the same |
| JP7346778B2 (ja) | 2021-11-29 | 2023-09-20 | パーク システムズ コーポレーション | 光学測定装置が装着された原子顕微鏡及びこれを利用して測定対象の表面の情報を得る方法 |
| CN117451653A (zh) * | 2022-07-19 | 2024-01-26 | 厦门大学 | 一种电化学纳米红外光谱显微镜及分析方法 |
| CN115480514A (zh) * | 2022-09-28 | 2022-12-16 | 山东大学 | 一种基于fpga的集成光强反馈及光阱量化的系统 |
| CN115684069B (zh) * | 2022-10-13 | 2024-05-07 | 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室) | 一种对精子头部无损层析成像的方法 |
| CN115421298B (zh) * | 2022-10-24 | 2023-02-03 | 中国航天三江集团有限公司 | 复杂激光内通道热效应影响下的光链路传输计算方法 |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3669466B2 (ja) * | 1997-10-30 | 2005-07-06 | 富士写真フイルム株式会社 | 熱分光測定装置 |
| US6850323B2 (en) * | 2001-02-05 | 2005-02-01 | California Institute Of Technology | Locally enhanced raman spectroscopy with an atomic force microscope |
| US6643012B2 (en) * | 2001-02-23 | 2003-11-04 | National University Of Singapore | Apertureless near-field scanning raman microscopy using reflection scattering geometry |
| JP2003294618A (ja) * | 2002-04-03 | 2003-10-15 | Jasco Corp | 赤外顕微分光装置及び近接場赤外顕微分光装置 |
| US8402819B2 (en) * | 2007-05-15 | 2013-03-26 | Anasys Instruments, Inc. | High frequency deflection measurement of IR absorption |
| US8955161B2 (en) * | 2008-11-13 | 2015-02-10 | Bruker Nano, Inc. | Peakforce photothermal-based detection of IR nanoabsorption |
| WO2013078471A1 (en) * | 2011-11-25 | 2013-05-30 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Chemical mapping using thermal microscopy at the micro and nano scales |
| US8646110B1 (en) * | 2012-11-27 | 2014-02-04 | Xiaoji Xu | Method to obtain absorption spectra from near-field infrared scattering using homodyne detection |
| WO2014138660A1 (en) * | 2013-03-08 | 2014-09-12 | Bruker Nano, Inc. | Method and apparatus of physical property measurement using a probe-based nano-localized light source |
| US9658247B2 (en) * | 2013-03-15 | 2017-05-23 | Anasys Instruments | Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy with high speed point spectroscopy |
| US8793811B1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-07-29 | Anasys Instruments | Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy |
| JP2014202677A (ja) * | 2013-04-08 | 2014-10-27 | 株式会社堀場製作所 | 赤外吸収測定装置及び赤外吸収測定方法 |
-
2018
- 2018-03-09 US US15/917,210 patent/US10473693B2/en active Active
- 2018-03-09 JP JP2019548916A patent/JP2020511646A/ja active Pending
- 2018-03-09 WO PCT/US2018/021814 patent/WO2018165591A1/en unknown
- 2018-03-09 KR KR1020197029471A patent/KR20190128192A/ko not_active IP Right Cessation
- 2018-03-09 EP EP18764447.1A patent/EP3593149A4/en active Pending
- 2018-03-09 KR KR1020237045075A patent/KR20240006703A/ko active Application Filing
- 2018-03-09 CN CN201880028547.9A patent/CN110573887B/zh active Active
-
2023
- 2023-01-11 JP JP2023002213A patent/JP2023052309A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US10473693B2 (en) | 2019-11-12 |
| KR20190128192A (ko) | 2019-11-15 |
| EP3593149A4 (en) | 2021-01-06 |
| CN110573887B (zh) | 2022-06-07 |
| JP2023052309A (ja) | 2023-04-11 |
| CN110573887A (zh) | 2019-12-13 |
| US20180259553A1 (en) | 2018-09-13 |
| JP2020511646A (ja) | 2020-04-16 |
| WO2018165591A1 (en) | 2018-09-13 |
| EP3593149A1 (en) | 2020-01-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10473693B2 (en) | Method and apparatus for infrared scanning near-field optical microscopy based on photothermal effect | |
| CN110234982B (zh) | 用于化学成像原子力显微镜红外光谱法的方法和装置 | |
| CN104981701B (zh) | 利用零差检测从近场红外散射获得吸收光谱的方法 | |
| US9372154B2 (en) | Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy | |
| US9658247B2 (en) | Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy with high speed point spectroscopy | |
| US8793811B1 (en) | Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy | |
| US10082523B2 (en) | Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy with high speed point spectroscopy | |
| US11215637B2 (en) | Method and apparatus of atomic force microscope based infrared spectroscopy with controlled probing depth | |
| CN112204375B (zh) | 宽区域光学光热红外光谱 | |
| US11519861B2 (en) | Fluorescence enhanced photothermal infrared spectroscopy and confocal fluorescence imaging | |
| US11486761B2 (en) | Photothermal infrared spectroscopy utilizing spatial light manipulation | |
| US20230063843A1 (en) | Method and apparatus for high performance wide field photothermal imaging and spectroscopy | |
| US20150034826A1 (en) | Nanoscale infrared spectroscopy with multi-frequency atomic force microscopy | |
| CN111886505B (zh) | 非轻敲模式的散射式扫描近场光学显微镜系统及方法 | |
| JP2021534370A (ja) | 表面感度原子間力顕微鏡ベースの赤外線分光法 | |
| Yoxall | Applications of scattering-type scanning near-field optical microscopy in the infrared | |
| O'Callahan | Nanoscale and ultrafast imaging and spectroscopy to probe heterogeneity of novel materials and coherence of thermal near-fields |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A107 | Divisional application of patent |