NO303247B1 - Avs÷kende optisk nµrfeltsmikroskopi - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører optiske mikroskop og særlig optiske mikroskop med oppløsning til dimensjoner som er mindre enn bølgelengden for vanlig lys. Oppfinnelsen angår også mikroskop som utnytter et lys-tunneleringsfenomen.

Inntil ganske nylig var oppløsningen til optiske mikroskop begrenset av bølgelengden til det lyset som ble brukt. Partikler mindre enn halvparten av bølgelengden kunne ikke oppløses. Transmisjons- og avsøkings-elektronmikroskopi (TEM og SEM) ble brukt for å oppløse strukturer mindre enn bølgelengden til det synlige lys, men de ble begrenset av nødvendigheten av en elektrisk ledende prøve.

Utviklingen av avsøkende tunneleringsmikroskopi tillot oppløsning av strukturer så små som enkelte atomer. De opp-rinnelige avsøkende tunneleringsmikroskop (STM) benyttet tunnelerende elektroner som signalkilde i mikroskopet. I likhet med TEM og SEM krevet dette en elektrisk ledende prøve for å levere elektronene.

Det har vært gjort mange forsøk på å utnytte nærfelt-strålingen til synlige lysfotoner. Et forsøk på å utnytte fenomenet med et flyktig optisk felt i et prøveområde på en overflate, fremgår av US patent nr. 3,975,084, men det benyttes der en teknikk som er slik at submikroskopiske partikler som vandrer inn i (og ut av) prøveområdet, gir opphav til lysglimt som kan oppfattes av et mikroskop godt utenfor prøveområdet, og slik at en statististisk undersøkelse kan foretas. Det er i dette tilfelle ikke snakk om å gå fysisk inn i prøveområdet med noen sonde, og heller ikke om å studere de enkelte partiklene.

Andre typer nærfelt-avsøkende mikroskop (NFSM) rettet lys mot en åpning med dimensjon mindre enn bølgelengden, forbundet med en detektor. Det ble generert et nærfelt ved åpningen som vekselvirket med en prøve for å frembringe et modulert nærfelt etterhvert som åpningen ble ført frem til i nærheten av prøven. Fotoner fra det modulerte nærfeltet ville så bli detektert. Etterhvert som åpningen beveget seg over prøven, ville den således avføle modulasjonen til nærfeltet. En rasteravsøkning av prøven ved hjelp av åpningen frembrakte et bilde av prøven i det avsøkte området. Variasjoner av denne mikroskoptypen er blitt utviklet, slik som beskrevet i en artikkel "Collection mode near-field scanning optical microscopy" av Betzig m.fl. i Applied Physics Letters, bind51, nr. 25, 21. desember 1987, New York, side 2088-2090. I hvert tilfelle blir imidlertid nærfeltfenomenet skapt i nærheten av en åpning med størrelse mindre enn bølgelengden, og den nyttbare størrelse av nærfeltet er typisk i størrelses-orden en bølgelengde i alle dimensjoner. På grunn av sin lille størrelse blir dette nærfeltet vanligvis avsøkt på tvers av prøven.

Tre metoder er blitt brukt til å holde åpningen nær prøven under avsøkning. Elektron-tunneleringstilbakekopling er blitt brukt for å holde avstanden mellom åpningen og prøven på mindre enn en nanometer, jfr. artikkelen "Near-field optical scanning microscopy in reflection" av Fisher m.fl. iApplied Physics Letters, bind 52, nr. 4, 25. januar 1988, New York, side 249-251. Metoden krevet at både prøven (hvis prøven var ikke-ledende) og åpningen ble belagt med et tynt (omkring 2 0 nanometer) lag av et ledende materiale (for eksempel gull). En annen metode benyttet en konstant høyde-modus. Åpningen bie brakt nærmere og nærmere prøven inntil den ønskede opplesning var oppnådd. Under drift var metoden bare brukbar for flate prøver eller flate arealer av ru prøver. Den tredje metoden benyttet en kontaktmodus. Åpningen ble ført frem inntil den kom i kontakt med overflaten, en tunneleringsstrøm av fotoner ble målt, og åpningen ble trukket tilbake. Denne prosedyren ble gjentatt etterhvert som åpningen ble avsøkt over prøven uten noen tilbakekoplingskilde. Igjen må prøven være ganske plan og i stand til å motstå kontakt med åpningen.

Det finnes mange typer prøver, for eksempel biologiske prøver, som ikke kan overleve det mekaniske kontakttrykk ved nærfelt-avsøkende mikroskop eller en belegning av prøven med en ledende overflate. I tillegg kan de teknikker som benytter elektron-tunneleringstilbakekopling for å opprettholde nærheten til prøven, også kreve vakuum-betingelser for best mulig å utnytte elektron-tunnelering.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en anordning for høyoppløselig optisk mikroskopi som kan anvendes på en rekke forskjellige prøvetyper, innbefattet de som er ikke-ledende, ikke plane eller har en ømfindtlig strukturmessig sammensetning. Det er et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe denne mikroskopien under en rekke omgivelsesmessige forhold.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte og et apparat for optisk nærfelt-mikroskopi. Oppfinnelsens ene aspekt er en fremgangsmåte for avsøkende optisk nærfeltsmikroskopi slik som nøyaktig definert i det vedføyde patentkrav 1, og i sitt annet aspekt angår oppfinnelsen et avsøkende optisk nærfeltsmikroskop av den type som defineres nøyaktig i det veføyde patentkrav 11.

Fremgangsmåten benytter et fenomen med prøve-modulert tunnelering av fotoner i et nærfelt for å frembringe informasjon om prøven. Et nærfelt blir generert nær en overflate. Nærfeltet har en intensitet som øker perpendikulært til og mot overflaten og har hovedsakelig konstant intensitet i et plan i det vesentlige parallelt med overflaten. En prøve blir anbrakt inne i nærfeltet og nærværet av prøven endrer intensitetsfordelingen inne i nærfeltet. Intensiteten av nærfeltet omkring prøven blir målt i minst to dimensjoner i nærheten av prøven. Målingen tilveiebringer et bilde svarende til det målte området av prøven.

Den foretrukne kilde for nærfeltet er en innvendig totalreflektert (TIR) lysstråle. I en foretrukket utførelsesform blir lysstrålen reflektert fra en innvendig overflate i et prisme. Dette tilveiebringer et flyktig felt med en eksponensielt avtagende intensitet normalt til prøve-overflaten. En sonde blir beveget inn i det flyktige feltet eller svinnfeltet, og sonden er fortrinnsvis en spisset, optisk kvartsfiber. Sonden har en spiss som er spisset til en liten dimensjon som kan være mindre enn bølgelengden, (d.v.s. mindre enn omkring 500 nanometer).. Nærværet av sonden vil tillate fotoner å tunnelere fra overflaten til sonden.

Selve overflaten kan også være gjenstand for denne mikro skopien. På samme måte som ovenfor vil overflate-strukturen modulere nærfeltet. Intensiteten av nærfeltet vil variere med endringene og defektene i overflaten. På denne måten kan mikroskopien brukes til å måle overflaten i minst to dimensjoner med en oppløsning bedre enn bølgelengden.

I en foretrukket utførelsesform blir fotonene ledet langs fiberen til en detektor. Detektoren frembringer et signal som er proporsjonalt med det antall fotoner som tunneleres til sonden, og det antallet fotoner er proporsjonalt med intensiteten av nærfeltet i nærheten av sonden. Et forskjel-lig signal ville bli frembrakt ved forskjellige posisjoner av sonden i nærheten av prøven.

I en foretrukket utførelsesform blir det anvendt en tilbakekoplingskrets for å regulere intensiteten av signalet ved å variere avstanden mellom spissen og prøven. Tilbake-koplingen hindrer således at spissen kommer i kontakt med prøven. Denne teknikken er særlig egnet for å undersøke de elektriske overflater som er umulige å profilere direkte innenfor et elektron-STM på grunn av ladningseffekter.

I en alternativ utførelsesform blir spissen sveipet over prøven med en konstant høyde over overflaten og intensiteten av lys som mottas av spissen, blir målt. Ved å avsøke i et rastermønster ved en konstant høyde over overflaten, blir et todimensjonalt bilde av intensiteten til nærfeltet mottatt av sonden. Varierende intensitetsnivåer ettersom spissen blir sveipet, vil tilveiebringe informasjon om en prøve som modulerer nærfeltet eller om selve overflaten.

Teknikken ifølge foreliggende oppfinnelse vil også tilveiebringe spektroskopisk informasjon. Etterhvert som sonden forskyves parallelt med overflaten, kan for eksempel det detekterte lys mates inn i et spektrometer som vil gi informasjon om de forskjellige optiske egenskapene til prøven i lokale områder med størrelser mindre enn bølgelengden til det lys som brukes i feltet. Disse data vil tilveiebringe et kart som tilsvarer prøvens optiske egenskaper.

Den oppløsning som frembringes ved hjelp av denne oppfinnelsen er langt bedre enn den i vanlige optiske mikroskop. I tillegg kan oppfinnelsen benyttes uten å ty til de høye vakuum-omgivelser som er nødvendige i elektron-mikroskop.

Foreliggende oppfinnelse anvender den interne totalrefleksjonen (TIR) til en lysstråle som faller på en grenseflate mellom materialer med forskjellige brytningsindekser (n±og nt) når den innfallende stråle ligger i mediet med høyest brytnings-indeks (ni) . Et prisme er et eksempel på en optisk anordning som benytter en intern totalrefleksjons-flate (TIR-overflate). Intern totalrefleksjon finner sted når innfallsvinkelen 0 (relatert til normalen) overstiger den kritiske vinkel som er gitt ved 0C = are sin (n,./^) . • For 8i > 8C blir det frembrakt et flyktig nærfelt i mediet med minst indeks. Intensiteten av dette feltet avtar eksponensielt med økende avstand fra grenseflaten ifølge ligning 1:

hvor K er en proporsjonalitetskonstant, k er en størrelse på bølgevektoren til det innfallende lys og z er avstanden fra den indre overflate. (Uttrykket nærfelt slik det brukes her, er en bred kategori som flyktige felt eller svinnfelt tilhører. Et nærfelt er ethvert felt hvis virkninger blir viktige ved en avstand innenfor omkring en eller to bølge-lengder fra kilden. Et flyktig felt eller svinnfelt er definert som det felt hvis intensitet er beskrevet i ligning 1). Hvis et annet medium med større brytningsindeks enn nt blir brakt innenfor det flyktige nærfeltet, slik som spissen av en spisset optisk fiber, inntreffer tunnelering som er grovt sagt analogt med elektrontunnelering gjennom en endelig barriere i kvantemekanikken.

Den eksponensielle beskaffenhet av det flyktige nærfeltet fører til en "effektiv skarphet" for sondespissen. Ved enhver avstand z fra overflaten, blir omkring 90 % av fotonene koplet inn i de nærmeste 10 % av spissen. Følgelig vil en spiss med radius R ha en effektiv radius på R/10. En spiss som kanskje ikke er egnet for konvensjonell nærfelt-avsøkende mikroskopi, vil derfor være ganske egnet for bruk i denne form for mikroskopi .

Fotoner fra den innfallende stråle tunnelerer gjennom området mellom spissen og prøven og kan samles opp ved hjelp av et egnet deteksjonssystem. Nærværet av en prøve på TTR-overflaten vil modulere formen av det flyktige nærfeltet og denne modulasjonen vil manifestere seg som romlige variasjoner i nærfelt-intensiteten ved en gitt høyde over prøveoverflaten. Disse endringene i intensiteten tilveiebringer topografisk informasjon om prøveoverflate samt informasjon om de optiske egenskapene til prøven, (for eksempel romlige variasjoner i brytningsindeksen eller prøvens optiske absorpsjon). Den romlige oppløsning blir påvirket av svinnlengden til det flyktige nærfeltet og av dimensjonen og formen på spissen.

En foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er et instrument hvor en prøve blir anbrakt på en overflate av et prisme og en laserstråle blir internt reflektert fra den mot-stående side av prisme-overflaten. Dermed blir det skapt et svinnfelt av laserstrålen i nærheten av prismeoverflaten på hvilken prøven er anbrakt. En sonde, en kvartsfiber som er blict etset til en skarp spiss, blir brakt nær prøven og inn i området for det flyktige nærfeltet til strålen. Etterhvert som sondespissen trer inn i det flyktige nærfeltet, vil en del av den ellers totalreflekterte lysstrålen bli koplet til sondespissen i en tunneleringsprosess. Dette lyset blir ledet fra sondespissen ved hjelp av fiberoptikk til en egnet detektor, slik som et fotomultiplikatorrør. Fotomultiplikator-røret frembringer et signal som er proporsjonalt med det antall fotoner som tunnelerer til sondespissen. Intensiteten av signalet fra foto-multiplikatorrøret blir holdt konstant ved hjelp av en tilbakekoplingskrets som styrer avstanden mellom sondespissen og prismeoverflaten. Spissens posisjon blir styrt ved hjelp av mekaniske og piezoelektriske elementer. Avbildning av prøven blir utført ved å sveipe sondespissen over overflaten i et standard raster-mønster, hovedsakelig parallelt med overflaten. Det øyeblikkelige lyssignal som mottas av sondespissen, blir holdt konstant under avsøkningen ved å bevege sonden i en retning perpendikulært til overflaten. Avstanden mellom sondespissen og prismeoverflaten blir overvåket sammen med sondespissens avsøkningsposisjon. Visuelle bilder blir frembrakt på en analog fremvisningsskjerm eller en datamaskinfremvisning som svarer til sondens avstand fra prismeoverflaten etterhvert som den beveger seg i rastermønsteret. Man vil forstå at prisme og det omgivende medium slik som luft, utgjør første og andre substanser som har forskjellige brytningsindekser. Overflaten til prisme på hvilken prøven er anbrakt, utgjør en plan grenseflate mellom de første og andre overflater og nærfeltet blir frembrakt i nærheten av denne plane grenseflaten.

Foreliggende oppfinnelse krever ikke kontakt med prøven, og sonden følger ruhetstrekk i prøven i motsetning til visse

nærfelt-avsøkende mikroskop. En annen fordel med oppfinnelsen er at oppnåelige oppløsning sterkt overstiger oppløsningen til konvensjonell optisk mikroskopi. Nøyaktige målinger av variasjoner i prøvetopografi er også gjort mulig i motsetning til

tradisjonelle optiske mikroskop og elektronmikroskop. Siden der ikke er noe behov for elektron-tunneleringstilbakekopling eller enhver annen form for elektronstrøm mellom prøven og sonden, kan både isolerende og ledende prøver bli undersøkt og avbildet i motsetning til prøver preparert for elektron-mikroskopi. Endelig er foreliggende oppfinnelse brukbar under en rekke forskjellige miljøforhold. Den er ikke begrenset til vakuumdrift.

Foreliggende oppfinnelse vil best kunne forstås under henvisning til den følgende detaljerte beskrivelse av et eksempel på en utførelsesform, i forbindelse med de vedføyde tegninger, hvor: Fig. la er et skjematisk blokkskjerna over en foretrukket utførelsesform av et avsøkende foton-tunneleringsmikroskop; Fig. lb er et skjema over en del av prøvefeltet som viser vekselvirkningen mellom en optisk fiberspiss og et prøvemodulert flyktig nærfelt; Fig. 2 er en tegning over en foretrukket utførelseform av

oppfinnelsen; og

Fig. 3 og 4 er perspektivtegninger av sonden og prøveområdet til en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, idet figur 4 er en skisse som er dreiet 45° med urviseren og fra en vinkel 3 0° høyere enn skissen på figur 3.

Det vises nå til tegningene hvor like henvisningstall betegner like eller tilsvarende deler på de forskjellige figurer, og hvor det på figur la er vist et avsøkende foton-tunneleringsmikroskop 10 som omfatter en form av foreliggende oppfinnelse. Mikroskopet 10 er sammensatt av et prisme 12 inn i hvilket en laserstråle 14 blir rettet med en innfallsvinkel Oi, slik at strålen 14 blir internt totalreflektert (TIR) ved en overflate 16. Det vises nå til figur lb såvel som figur la, idet et flyktig nærfelt 18 blir generert av strålen 14 som totalreflekteres ved overflaten 16. En prøve 20 opptar et prøveområde 21 på overflaten 16. Det flyktige nærfeltet 18 er meget større enn prøvearealet 21, og nærværet av prøven 20 på overflaten 16 vil modulere det flyktige nærfeltet 18. Denne modulasjonen vil vise seg som romlige variasjoner i nærfelt-intensiteten ved en gitt høyde over prøveoverflaten. En fiberoptisk sondespiss 22 blir ført inn i det flyktige nærfeltet 18 slik at fotoner vil tunnelere mellom strålen 14 ved overflaten 16 og sondespissen 22. Spissen 22 er formet til et punkt 23 som kan være, men som ikke behøver å være, mindre enn bølgelengden til lyset i strålen 14, og den kna være belagt med et fotonopakt materiale (slik som metall) for å frembringe en liten åpning eller apertur i kombinasjon med den lille dimensjonen til punktet 23. Sondespissen 22 behøver i motsetning til sonder som brukes ved konvensjonelle nærfelt-avsøkende mikroskop, ikke å være belagt med et opakt materiale for å oppnå oppløsning bedre enn bølgelengden. Utforming av spissen 22 med et punkt 23 mindre enn en spesiell bredde, frembringer oppløsning som er minst så god som en åpning med samme bredde i en konvensjonell sonde for nærfelt-avsøkende mikroskop. Sondespissen 22 er ved en ende av en kvartsfiber 24. Denne enden av kvartsfiberen 24 utgjør en sonde 26. Sonden 26 er montert til en piezoelektrisk føringsanordning 28 slik at sonden 26 kan sveipes over prøven 20. Føringsanord-ningen 28 beveger sonden 26 horisontalt over prøven 20 i en vanlig rasteravsøkning. En ende motsatt sondeenden av kvartsfiberen 24, er koplet til et fotomultiplikatorrør 30 som detekterer de fotoner som mottas av sonden 26. Røret 3 0 frembringer et utgangssignal som er proporsjonalt med det antall fotoner som mottas av sonden 26.

Utgangen fra fotomultiplikatorrøret 3 0 blir tilført en xyz-bevegelses- og tilbakekoplingskrets. Kretsen 32 tilveiebringer signaler til føringsanordningen 28 for rasteravsøk-ningen av prøven 20 ved hjelp av sonden 26. Kretsen 32 har x-og y-retningsstyringer for generering av x- og y-retnings-signaler. Disse signalene til føringsanordningen 28 beveger sonden 26 i x- og y-retningene. I tillegg overvåker kretsen 32 utgangen fra fotomultiplikatorrøret 30 for å opprettholde intensiteten til det flyktige nærfeltet ved en konstant verdi. Etterhvert som sonden 26 beveger seg over prøven 20, vil intensiteten til det flyktige nærfeltet 18 variere med avsøkningsposisjonen til sonden 26. Etterhvert som intensiteten varierer, vil tilbakekoplingskretsen 32 generere et sett-retningssignal fra en z-retningsstyring for å bevege sonden 26 vertikalt i forhold til prøven 20 og overflaten 16. Hvis tilbakekoplingskretsen 32 mottar et signal fra foto-multiplikatorrøret 3 0 som indikerer at færre fotoner blir mottatt av sonden 26, så vil kretsen dirigere førings-anordningen 28 til å bevege sonden 26 nærmere prøven 20 og overflaten 16. Sonden vil bevege seg lenger bort fra prøven 20 og overflaten 16 hvis fotomultiplikatorrøret 30 detekterer flere fotoner. XYZ-bevegelses- og tilbakekoplings-kretsen 32 tilveiebringer posisjonsinformasjon til en styre- og bildebehandlingskrets 34 i en datamaskin. Denne kretsen 34 bestemmer en relativ avsøkningsposisjon og en relativ vertikal posisjon av sonden 26 i forhold til overflaten 16 og prøven 20. Et bilde blir så generert basert på den vertikale posisjonen av sonden 26 i forhold til sondens 26 avsøknings-posisjon. For eksempel svarer X, Y-posisjonen (avsøknings-posisjonen) til sonden 26 til X, Y-bildeelementposisjonen i et standard videobilde, og Z-posisjonen (vertikal posisjon) til sonden 26 svarer til bildeelement-intensiteten. Alternativt svarer Z-posisjonen til bildeelement-farge slik at videobildet blir et fargekodet topografisk kart.

Alternativt kan z-retningssignalet fra tilbakekoplings-kretsen 32 utelates. Sonden 26 blir ført frem mot overflaten 16 inntil en egnet fotonstrøm blir detektert. Sonden 26 blir så sveipet over prøven 2 0 ved en konstant z-avstand fra overflaten 16. Utgangen fra fotomultiplikatorrøret 30 blir så sendt til bildebehandlingskretsen 34. Igjen blir en relativ horisontal posisjon bestemt samt en relativ fotonstrøm. Et bilde blir så generert basert på avsøkningsposisjonen til sonden 26 og utgangen fra røret 30.

Det vises til figur 1 og 2 hvor laserstrålen 14 fra en syv millivatt helium-neon-laser 36 blir rettet mot en indre overflate 3 8 i prisme 12 ved en vinkel over den kritiske vinkel, slik at strålen blir totalreflektert. Strålen 14 frembringer det flyktige nærfeltet 18 hvis intensitet blir modifisert av nærværet av prøven 20 og blir avfølt ved hjelp av den optiske fibersondespissen 22. Den optiske fiberen leverer lyssignalet til fotomultiplikatorrøret 30 tilveiebringer et elektrisk strømsignal proporsjonalt med den detekterte lysintensiteten. Dette signalet driver en elektronisk tilbakekoplingskrets som regulerer avstanden mellom sondespissen 22 og prøven 20. Tilbakekoplings-elektronikken og annen styreelektronikk befinner seg i en styreenhet 40.

Bevegelsen av sonden 26 blir overvåket og styrt ved hjelp av en datamaskin 42 som også tjener til å innsamle og behandle den informasjon som genereres ved sveipingen av sonden 26 over prøven 20. Etterhvert som spissen blir rastet på tvers over prøven, avføler en tilbakekoplingskrets strømmen fra foto-multiplikatorrøret 3 0 og regulerer avstanden mellom spissen 22 og prøven 20 for å opprettholde en konstant fotomultiplikator-strøm. Spisshøyden ved hvert avsøkningspunkt blir overvåket og lagret av datamaskinen 42 og danner koordinatene for konstruksjon av en tredimensjonal avbildning av overflaten til prøven 20. Datamaskinen 42 blir deretter brukt til å behandle dataene og danne et gråskala-bilde av prøven 20 som blir

fremvist på en grafisk skjerm 44.

Geometrien til denne foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen tilveiebringer en sondespiss 22 som er montert på en piezoelektrisk føringsanordning og blir sveipet over en stasjonær prøve. Det vises nå til figur 3 hvor oppfinnelsen benytter en piezoelektrisk bimorf avsøkningsanordning 4 6 for å tilveiebringe bevegelse av spissen langs tre ortogonale akser. Avsøkningsanordningen 46 er laget av PZT-5H piezoelektrisk bimorf keramikk og har en minste resonansfrekvens på 1,75 kHz. Avsøkningsanordningen tilveiebringer tre innbyrdes ortogonale bevegelser, en hver for x-, y-, og z-retningene. Avsøknings-anordningen 4 6 har et område på 10 mikrometer i en retning parallelt med overflaten 16 og 6 mikrometer perpendikulært til den. Sonden 26 er festet til avsøkningsanordningen 46 og resten av kvartsfiberen 24 strekker seg til fotomultiplikator-røret 30.

En prøve blir anbrakt på overflaten 16 av prisme 12 og koplet til det optisk ved hjelp av en indekstUpassende substans. Hele prøve-arrangementet blir holdt stivt på plass ved hjelp av klemmer 48. Grovjustering av avstanden mellom spissen 23 og prøven 20 blir utført ved hjelp av mikrometer-skruer 50, idet finjustering blir styrt ved hjelp av en ytterligere mikrometerskrue 52 via en vektstang-reduserende geometritype. Fjærer 54 tjener til mekanisk å stabilisere hele apparatet og sikre positiv styring av den relative posisjon av spissen 22 over prøven 20.

Det vises nå til figur 4 hvor elektrisk forbindelse til styreenheten 40 er foretatt via en stikkontaktanordning 56. Lys blir internt totalreflektert fra prøven 2 0 ved å dirigere laserstrålen 4 0 inn i prisme 12 under bruk av et speil-arrangement 58, slik at innfallsvinkelen (Oipå figur la) er større enn eller lik den kritiske vinkel som er nødvendig for å oppnå intern totalrefleksjon. Den fiberoptiske spissen 22 blir først mekanisk posisjonert over prøven 20 med mikrometer-reguleringsskruene 50, 52, og så blir den brakt inn i det flyktige nærfeltområdet med avsøkningsanordningen 46.

Av det foregående kan man se at foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte og et apparat for optisk mikroskopi ved hjelp av prøvemodulert tunnelering av fotoner til en sonde. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en anordning for optisk mikroskopi med høy oppløsning som kan anvendes på en rekke prøvetyper, innbefattet de som er ikke-ledende, ikke-bladene eller har en skjør strukturmessig sammensetning. Siden der ikke er noe behov for en elektron-strøm i denne type mikroskopi, kan foreliggende oppfinnelse tilveiebringe mikroskopi med denne høye oppløsning under en rekke miljømessige forhold.

Selv om en foretrukket utførelsesform er beskrevet ovenfor, vil man forstå at oppfinnelsen kan underkastes mange for-andringer, modifikasjoner og erstatninger av deler uten å avvike fra oppfinnelsens ramme slik den er definert i de vedføyde krav.

Claims (27)

1. Fremgangsmåte for avsøkende optisk nærfeltsmikroskopi i nærheten av et prøveområde (21) på en overflate (16), hvilken fremgangsmåte omfatter: frembringelse av en lysstråle (14) for å generere et nærfelt av lys ved overflaten, anbringelse av en prøve (20) på prøveområdet (21); prøving av nærfeltet med en sonde (2 6); detektering av lyset som mottas av sonden (26); frembringelse av et utgangssignal som er en funksjon av lysintensiteten som mottas av sonden (26); avsøkning nær prøvområdet (21) med sonden (26) i minst én retning; og behandling av utgangssignalet i en beregningsenhet (34) for å frembringe utgangsinformasjon mens sonden beveger seg,karakterisert vedat fremgangsmåten er en avsøkende fotontunnelerings-fremgangsmåte som videre omfatter; innføring av lysstrålen (14) i et legeme (12) av transparent materiale med minst én overflate som har en innerside og en ytterside; frembringelse av et flyktig felt (18) nær yttersiden av overflaten (16) ved å orientere strålen (14) i det transparente legemet (12) for å gå i kontakt med innersiden av overflaten (16) med en vinkel (B^) som er lik eller større enn en kritisk vinkel som vil gi innvendig totalrefleksjon av strålen (14); og innsamling med sonden (26) av fotoner som tunnelerer mellom overflaten (16) og sonden (26), hvorved antallet fotoner som tunnelerer mellom overflaten og sonden står i forhold til det flyktige feltets intensitet ved sondens posisjon.

2. Fregangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat genereringstrinnet for flyktig nærfelt omfatter: tilveiebringelse av et første (12) og et andre stoff med forskjellige brytningsindekser; tilveiebringelse av en grenseflate mellom det første og det annet stoff som utgjør overflaten (16); dirigering av lysstrålen (14) gjennom det første stoffet (1) for å skjære grenseflaten med innfallsvinkel (9J som er tilstrekkelig stor til å frembringe den nevnte innvendige totalrefleksjonen, idet nærfeltet (18) frembringes i nærheten av grenseflaten i det andre stoffet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat den videre omfatter: avsøkning med sonden (26) i et avsøkningsmønster i nærheten av prøveområdet (21) mens sonden holdes i hovedsakelig konstant avstand fra overflaten (16); og overvåkning av sondens (26) posisjon og av den lysmengde som mottas av sonden når sonden sveiper gjennom avsøkningsmønsteret; og utmatning av data vedrørende sondens (26) posisjoner etter hvert som den beveger seg gjennom avsøkningsmønsteret, og vedrørende den lysmengde som mottas av sonden i hver av posisjonene.

4. Fremgangmsåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat den videre omfatter: avsøkning med sonden (26) i et avsøkningsmønster i nærheten av prøven; styring av sondens (26) posisjon i nærfeltet ved å bevege sonden i en retning som er hovedsakelig normal på overflaten (16) etter hvert som sonden sveiper gjennom avsøkningsmønsteret, slik at sonden mottar hovedsakelig den samme lysmengde i løpet av avsøkningen; og overvåkning av sondens posisjon og utmatning av informasjon som tilsvarer avstanden mellom sonden (26) og overflaten (16) etter hvert som sondespissen (22) sveiper gjennom avsøkningsmønsteret.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat den videre omfatter delvis tildekning av sonden (26) med et foton-ugjennomtrengelig materiale, og tildannelse av en åpning i det ugjennomtrengelige materialet på den del av sonden som ligger nærmest overflaten, idet åpningen er mindre enn bølgelengden av de fotoner som mottas av sonden.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert vedat den videre omfatter: bestemmelse av størrelsen av utgangssignalet mens avsøkning foregår i nærheten av prøveområdet (21); generering av et nivåsignal som er representativt for størrelsen av utgangssignalet; bestemmelse av en avsøkningsposisjon for sonden (26) mens avsøkning foregår i nærheten av prøveområdet (21); generering av et avsøkningsposisjonssignal som er representativt for avsøkningsposisjonen; og fremvisning av nivåsignalet som funksjon av avsøkningsposisjonssignalet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert vedat den videre omfatter: bestemmelse av avstander mellom sonden (26) og overflaten (16) mens avsøkning foregår i nærheten av prøveområdet; generering av et avstandssignal som er representativt for avstandene; bestemmelse av en avsøkningsposisjon for sonden (26); generering av et avsøkningsposisjonssignal som er representativt for avsøkningsposisjonen; og fremvisning av avstandssignalet som en funksjon av avsøkningsposisjonssignalet.

8. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-7,karakterisert vedat sonden (26) er plassert i en avstand fra overflaten (16) som er mindre enn omkring to lysbølgelengder.

9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-8,karakterisert vedat den videre omfatter: avsøkning med sonden (26) i et forutbestemt mønster i nærheten av prøveområdet; og måling av det lys som mottas av sonden (26) under av-søkningen for å generere informasjon om lysintensistets-fordelingen.

10. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-9,karakterisert vedat plasserings-trinnet omfatter: tilveiebringelse av én sonde som er fremstilt bare av et lysledende stoff (24) og med en sondespiss (22); og plassering av sondespissen (22) i nærfeltet og i nærheten av prøveområdet (21) for å kobles med og motta lys fra nærfeltet .

11. Avsøkende optisk nærfelts-mikroskop, omfattende: en overflate (16) som et prøveområde er definert på; en lyskilde (36) for å tilveiebringe en lysstråle (14) som genererer et nærfelt av lys i nærheten av overflaten (16); en sonde (26) for prøving av nærfeltet; en detektor (30) for å detektere lyset som mottas av sonden (26) og for å frembringe et utgangssignal i forhold til lysintensiteten som mottas av sonden; en anordning (2 8) for å bevege sonden (26) og for å sveipe sonden gjennom et mønster i nærfeltet i nærheten av prøveområdet; og en anordning (34) for å behandle utgangssignalet etter hvert som sonden (26) beveger seg gjennom mønsteret, for å frembringe data som tilsvarer den lysintensitet som mottas av sonden (26),karakterisert vedat mikroskopet (10) er et avsøkende fotontunnelerings-mikroskop hvor anordningen for å generere et nærfelt videre omfatter en anordning for å generere et flyktig felt som omfatter: et legeme (12) av transparent materiale med minst én plan overflate (16) som utgjør den overflate som prøveområdet er definert på; og en anordning for å innføre og orientere strålen (14) i legemet (12) slik at strålen går i kontakt med en innerside av overflaten (16) for å frembringe en innvendig totalrefleksjon av strålen (14), idet refleksjonen frembringer det flyktige feltet (18) i nærheten av en ytterside av overflaten (16), idet sonden (26) avprøver det flyktige feltet ved å innsamle fotoner som tunnelerer mellom overflaten (16) og sonden.

12. Mikroskop ifølge krav 11, karakterisert vedat det videre omfatter en anordning (32) for å opprettholde sondens (26) posisjon i en hovedsakelig konstant avstand fra og normalt på overflaten (16) mens sonden avsøker prøveområdet (21).

13. Mikroskop ifølge krav 11, karakterisert vedat det videre omfatter en anordning (32) for å reagere på utgangssignalet ved å holde sonden (26) i en posisjon med konstant lysintensistet, hvorved sondens (26) avstand fra overflaten (16) er en funksjon av lysintensitets-fordelingen i nærheten av prøveområdet (21).

14. Mikroskop ifølge et av kravene 11-13,karakterisert vedat legemet (12) av transparent materiale er et kvartsprisme.

15. Mikroskoi ifølge et av kravene 11-14,karakterisert vedat sonden (26) er fremstilt bare av et lysledende stoff (24).

16. Mikroskop ifølge et av kravene 11-15,karakterisert vedat sonden (26) er en optisk kvartsfiber (24) med en spiss (22) som innføres i nærfeltet, hvorved fotoner fra dette feltet vil bli mottatt av spissen (22), i et antall som tilsvarer nærfeltets lysintensitet i spissens posisjon.

17. Mikroskop ifølge krav 16, karakterisert vedat fiber-sondens (26) spiss (22) er delvis belagt med et foton-ugjennomtrengelig materiale, og at en åpning er tildannet i det ugjennomtrengelige materialet, hvilken åpning er mindre enn bølgelengden av de fotoner som mottas av sonden.

18. Mikroskop ifølge krav 16 eller 17,karakterisert vedat anordningen for å frembringe utgangssignalet delvis omfatter et fotomultiplikatorrør (30) montert ved en motsatt ende av fiberen (24) i forhold til spissen (22).

19. Mikroskop ifølge krav 16, karakterisert vedat sonden (26) har en kvesset spiss (22) .

20. Mikroskop ifølge et av kravene 11-19,karakterisert vedat lyskilden (36) er en laser, og at lysstrålen (14) er en laserstråle.

21. Mikroskop ifølge et av kravene 11-17,karakterisert vedat det videre omfatter: en anordning (42) for å overvåke nærfeltet nær ved prøveområdet (21) og for å frembringe et utgangssignal som tilsvarer dette; og en anordning for å frembringe utgangssignalet som tilsvarer sondens (26) posisjon etter hvert som den beveger seg gjennom mønsteret.

22. Mikroskop ifølge et av kravene 11-20,karakterisert vedat det videre omfatter: en anordning for å bestemme avstander mellom sonden (26) og overflaten (16) mens overflaten avsøkes, og for å generere et avstandssignal som er representativt for disse avstandene; en anordning for å bestemme avsøkningsposisjoner for sonden (26) i et plan nær overflaten (16) mens overflaten avsøkes, og for å generere et posisjonssignal som er representativt for denne posisjonen; og en anordning (44) for å fremvise avstandssignalet som funksjon av posisjonssignalet.

23. Mikroskop ifølge krav 21, karakterisert vedat overvåkningsanordningen videre omfatter: en første anordning for å bevege sonden (2 6) i en første retning, hvilken første anordning er i stand til å bevege sonden en styrt avstand som er kortere enn bølgelengden for fotonene i nærfeltet; og en andre anordning for å bevege sonden i en andre retning og perpendikulært på den første retningen, hvilken andre anordning er i stand til å bevege sonden en styrt avstand som er kortere enn bølgelengden av fotonene i det flyktige nærfeltet.

24. Mikroskop ifølge krav 23, karakterisert vedat den første anordningen for å bevege sonden videre omfatter: en styreenhet i x-retning for å generere et x-retningssignal, hvilket signal har en størrelse som er representativ for en x-avstand i en x-retning; og piezoelektriske, keramiske x-retningsbimorf-celler montert til sonden (26), som beveger sonden den nevnte x-avstand i den nevnte x-retning når disse bimorf-cellene mottar x-retningssignalet fra styreenheten for x-retningen; og den andre anordningen for å bevege sonden omfatter videre: en styreenhet for y-retning for å generere et y-retningssignal, hvilket signal har en størrelse som er representativ for en y-avstand i en y-retning; og piezoelektriske, keramiske y-retningsbimorf-celler montert til sonden (26), som beveger sonden den nevnte y-avstand i den nevnte y-retning når disse bimorf-cellene mottar y-retningssignalet fra styreenheten for y-retningen.

25. Mikroskop ifølge krav 24, karakterisert vedat anordningene (28, 32) for å holde sonden (26) i en posisjon med konstant lysintensitet, videre omfatter: en tredje anordning for å bevege sonden (26) i en retning som er normal på overflaten, hvilken tredje anordning er i stand til å bevege sonden en styrt avstand som er kortere enn lysbølgelengden; og en anordning for å overvåke utgangssignalet fra detektoren og for å styre den tredje anordningen for å bevege sonden (26), hvorved utgangssignalet fra detektoren holdes på et hovedsakelig konstant nivå mens sonden avsøker prøveområdet (21), idet den tredje anordningen beveger sonden (26) lengre bort fra overflaten (16) når utgangssignalet øker, og den tredje anordningen beveger sonden nærmere overflaten når utgangssignalet avtar.

26. Mikroskop ifølge krav 24, karakterisert vedat den tredje anordningen for å bevege sonden (26), videre omfatter: en styreenhet for z-retning for å generere et z-retningssignal, hvilket signal har en størrelse som er representativ for en z-avstand i en z-retning; og piezoelektriske, keramiske z-retningsbimorf-celler montert til sonden (26), som beveger sonden den nevnte z-avstand i den nevnte z-retning når bimorf-cellene mottar z-retningssignalet fra styreenheten for z-retningen.

27. Mikroskop ifølge et av kravene 11-26,karakterisert vedat intensiteten av det flyktige nærfeltet (18) forandrer seg med normal avstand fra overflaten (16) hovedsakelig i samsvar med ligningen:

hvor: I = intensiteten av feltet, med enhet effekt/areal; K = en proporsjonalitetskonstant med enhet effekt/areal; k = størrelsen av en bølgevektor i tomt rom for den innfallende laserstråle, med enhet invers avstand (l/avstand); z = perpendikulær avstand fra■overflaten; B± = en innfallsvinkel for laserstrålen i forhold til en linje som står normalt på overflaten; ni = brytningsindeks for prismet; og nt = brytningsindeks for et medium på yttersiden av overflaten.