WO2022055040A1 - 근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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WO2022055040A1
WO2022055040A1 PCT/KR2020/018020 KR2020018020W WO2022055040A1 WO 2022055040 A1 WO2022055040 A1 WO 2022055040A1 KR 2020018020 W KR2020018020 W KR 2020018020W WO 2022055040 A1 WO2022055040 A1 WO 2022055040A1
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WO
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light
probe
wavefront
feedback
spectrum
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/018020
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English (en)
French (fr)
Inventor
박경덕
이동윤
라쉬케마커스
Original Assignee
울산과학기술원
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Publication date
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    • 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
    • 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
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a near-field optical microscope system and a method for controlling the same, and more specifically, a near-field optical microscope system that acquires a maximally amplified signal by grafting an adaptive optical technology that locally changes a polarization component to a probe-enhanced nanospectroscopic microscope; It relates to a control method thereof.
  • STM scanning tunneling microscope
  • SPM scanning probe microscope
  • AFM Atomic Force Microscope
  • NOM Near-field Scanning Optical Microscope
  • AFM has a disadvantage in that it does not have chemical selectivity and thus does not have the ability to distinguish chemical properties of molecules of a similar volume.
  • NSOM is capable of distinguishing molecules with relatively large molecular weights by using analytical chemistry techniques, so many studies are being conducted on methods such as combining optical microscope and AFM or imparting selectivity through chemical treatment of the AFM tip. .
  • NSOM can be divided into perforated near-field microscopy and non-perforated near-field microscopy.
  • perforated near-field microscopy light is irradiated to a hole formed in a probe that is much shorter than the wavelength of the wavelength, and minute light leaking through the hole is transmitted to the sample on the scanning substrate.
  • a microscope that scans while irradiating close to a distance shorter than the length to detect an optical signal emitted by the interaction of near-field light with the sample for each scan pixel. It has the disadvantage that it cannot increase the strength above a certain level and it is difficult to accurately analyze live cells.
  • the non-perforated near-field microscope emits highly condensed laser light to a metal or dielectric probe so that the light density of the laser is concentrated at the tip of the probe.
  • the most representative method is tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS).
  • TERS is a Raman spectroscopy method using an atomic force microscope (AFM).
  • the amplified Raman signal is generated and limited to the area in contact with the probe coated with a metal such as silver (Ag) or gold (Au) in the atomic force microscope.
  • a metal such as silver (Ag) or gold (Au) in the atomic force microscope.
  • This is a method that enables high-resolution Raman spectroscopy.
  • TERS can acquire a Raman spectrum for a region of several tens of nm 2 around the probe by using an electromagnetic field that is very strongly increased at the tip of the probe.
  • the present invention is to solve the above problems, and controls the wavefront of light so that the surface of the metal probe having a geometric structure and the local polarization component of the light source part are parallel to each other so that the interaction between light and the analyte can occur actively. It is to provide a near-field optical microscope system and a method for controlling the same.
  • An object of the present invention is to provide a near-field optical microscope system including a feedback algorithm for optimizing a local polarization component by grafting an adaptive optical technique for locally changing a polarization component to obtain a maximally amplified signal, and a method for controlling the same.
  • the near-field optical microscopy system of the present invention includes a metal probe having an end positioned adjacent to an analyte; a light source emitting light; an optical probe that allows the light emitted from the light source to be irradiated between the metal probe and the analyte; a spectrometer for generating a spectrum by receiving the probe-enhanced signal generated by the interaction between the light and the analyte; a feedback providing unit that provides feedback step by step to find the wavefront of the light at which the probe enhancement signal with respect to the reference value in the spectrum is maximally amplified; and a wavefront controller configured to control a wavefront of the light for each segment constituting the active region according to the feedback.
  • the control method of the near-field optical microscope system of the present invention a light emission step in which light is emitted by a light source unit; a light irradiation step in which the light emitted from the light source unit is irradiated between the metal probe and the analyte by an optical probe; a spectrum generating step in which a spectrum is generated by inputting the probe enhancement signal generated by the interaction between the light and the analyte by the spectrometer; a feedback providing step of providing, by a feedback providing unit, a feedback step by step so as to find a wavefront of the light at which the probe enhancement signal with respect to a reference value in the spectrum is maximally amplified; and a wavefront control step in which the wavefront of the light for each segment constituting the active region is controlled according to the feedback by the wavefront controller.
  • the present invention by providing a wavefront controller that controls the wavefront of light so that the surface of the metal probe having a geometric structure and the local polarization component of the light source are parallel to each other, interaction between light and analyte can occur actively. and, thereby, has an effect of obtaining a maximally amplified signal.
  • the present invention has a feedback algorithm that optimizes the local polarization component by grafting an adaptive optical technology that locally changes the polarization component, so that the maximum amplified signal can be obtained, and has twice the intensity compared to the prior art. It has the effect of acquiring a signal.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a near-field optical microscope system of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a graph (b) of an interaction (a) and a feedback algorithm between light and an analyte (S) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing before (a) and after (b) the wavefront of light is controlled by the wavefront controller 600 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart of a control method of the near-field optical microscope system of the present invention.
  • FIG. 6 is a far-field of WSe 2 transferred on a gold (Au) film for TEPL (a) and TERS (b) according to an embodiment of the present invention, a conventional probe enhancement signal, and the present invention; It is a graph comparing the strength of each probe-enhanced signal.
  • FIG. 7 is a far-field and light wavefront (far-field) of a BCB coated on a gold (Au) film for TERS according to an embodiment of the present invention; , ) is a graph showing the intensity of the probe enhancement signal according to (a) and a vibration spectrum using Raman and IR activation modes (b).
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a near-field optical microscope system of the present invention.
  • the near-field optical microscope system of the present invention includes a metal probe 100, a light source unit 200, an optical probe 300, a spectrometer 400, a feedback providing unit 500, and a wavefront control unit 600. .
  • the near-field optical microscope system of the present invention is an adaptive near-field optical microscope system incorporating adaptive optical technology that can improve optical device performance by reducing the effect of rapidly changing optical distortion.
  • the present invention is an adaptive near-field optical microscope system that obtains a maximally amplified signal by grafting an adaptive optical technology for locally changing a polarization component to a probe-enhanced nanospectroscopic microscope.
  • the tip 110 of the metal probe 100 is positioned adjacent to the analyte (S).
  • the metal probe 100 may be coated with a metal or may be a metal itself.
  • the metal may be gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), palladium (Pd), tungsten (W), aluminum (Al), chromium (Cr), or a conductive metal material, and the metal is gold (Au) or silver (Ag) is most preferred.
  • a distance from the cross-sectional area of the distal end 110 of the metal probe 100 to the analyte S may be several nanometers (nm). Most preferably, the distance between the end 110 of the metal probe 100 and the analyte (S) is 2 to 5 nm.
  • the gap is less than 2 nm, the gap is narrow or the gap does not exist, so that the interaction between the light and the analyte (S) is difficult to occur.
  • the interval is more than 5 nm, the interval is widened, and the interaction between the light and the analyte (S) is less generated, and this is because the strength of the probe enhancement signal is also weakened.
  • the analyte (S) is various nanostructures such as graphene nanoribbons, non-uniform magnetic materials on a nanometer scale, ceramic superconductors, macromagnetic effect materials, semiconductor nanodevices, nanorods, ultrathin films and brilliant cresyl blue (Brilliant cresyl blue, BCB), benzenethiol (BT), adenine monomer, various molecules such as DNA, and the like, and the type of the analyte (S) is not limited to the described material.
  • the analyte (S) may be positioned on a metal film, and the metal film may be most preferably formed of gold (Au) or silver (Ag).
  • the light source unit 200 emits light.
  • the light source unit 200 may most preferably be a monochromatic laser emitting a preset wavelength.
  • the light source unit 200 may be a helium (He)-neon (Ne) laser emitting a continuous wave, and the diameter may be increased to improve spatial filtering and spatial coherence by using a single mode fiber.
  • the optical probe 300 allows the light emitted from the light source unit 200 to be irradiated to the metal probe 100 and the analyte S.
  • the probe 300 may include a half-wave plate, a polarization splitter (PBS), a 4f system, and an objective lens (OL).
  • FIG. 2 is a view showing a graph (b) of an interaction (a) and a feedback algorithm between light and an analyte (S) according to an embodiment of the present invention.
  • the optical probe 300 polarizes the light emitted from the light source unit 200 using the half-wave plate and the polarization splitter (PBS) and is horizontally polarized ( TM polarization) light may be transmitted to the wavefront controller 600 .
  • PBS polarization splitter
  • TM polarization horizontally polarized
  • the horizontally polarized light is modulated into light having a wavefront by the wavefront controller 600 and then reflected from the wavefront controller 600 .
  • the light having the wavefront may pass through the 4f system and may be located at the rear side of the objective lens OL, and is focused by the objective lens OL and is concentrated between the metal probe 100 and the analyte S. can be investigated as
  • the 4f system refers to a standard system in which two lenses are paired and transmitted from one surface to the other.
  • the distance from the start plane to the first lens is f1
  • the distance from the first lens to the second lens is f1+f2
  • the distance from the second lens to the destination plane is f2, where f1 and f2 are the same. It is a system with a length of 4f.
  • the spectrometer 400 generates a spectrum by receiving the probe enhancement signal generated by the interaction between the light and the analyte (S).
  • SPP surface plasmon polarization or surface plasmon polariton
  • the probe enhancement signal refers to an electromagnetic wave generated from the analyte (S).
  • the probe enhancement signal may be collected from the objective lens OL in the optical probe 300 , and the spectrometer 400 may receive the probe enhancement signal from the optical probe 300 .
  • the spectrometer 400 generates the spectrum for the inputted probe enhancement signal.
  • the spectrum is a spectrum for the intensity of the probe-enhanced signal with respect to the Raman wavenumber using Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS), and Tip-Enhanced Photoluminescence (TEPL) is used.
  • TMS Tip-Enhanced Raman Spectroscopy
  • TEPL Tip-Enhanced Photoluminescence
  • it can be a spectrum for the intensity of the probe-enhanced signal with respect to energy, and a vibration spectrum using Raman and IR activation modes.
  • the spectrometer 400 may include a thermoelectric device, an edge filter, an Electron Multiplying CCD (EMCD) camera, and a mercury lamp for correction.
  • EMCD Electron Multiplying CCD
  • the feedback providing unit 500 provides feedback step by step to find the wavefront of the light at which the probe enhancement signal with respect to the reference value in the spectrum is maximally amplified.
  • the feedback providing unit 500 may select a reference value according to a spectrum. If the spectrum is a TEPL spectrum, since it is a spectrum for the intensity of the probe enhancement signal with respect to energy, a reference energy (eV) or a reference wavelength may be selected as the reference value. And if the spectrum is a TERS spectrum, since it is a spectrum for the intensity of the probe-enhanced signal with respect to the wavenumber, a reference wavenumber (cm ⁇ 1 ) may be selected as the reference value.
  • the feedback providing unit 500 may divide the active region into N ⁇ N segments and sequentially determine an optimal phase for each of the N ⁇ N segments by using a phase delay function.
  • the feedback providing unit 500 can maximize the probe enhancement signal when the surface of the distal end 110 of the metal probe 100 and the local polarization component of the light emitted from the light source unit 200 are parallel. It is based on the principle that
  • FIG 3 is a view showing before (a) and after (b) the wavefront of light is controlled by the wavefront controller 600 according to an embodiment of the present invention.
  • the wavefront of the light spreads at a predetermined angle with the end 110 of the metal probe 100 .
  • the wavefront control unit 600 controls the wavefront of light according to the feedback provided from the feedback providing unit 500 , the wavefront of the light changes to the tip 110 of the metal probe 100 . ) and it can be seen that it is parallel to the surface.
  • the wavefront controller 600 controls the wavefront of the light for each segment constituting the active region according to the feedback.
  • the wavefront controller 600 may be a spatial light modulator (SLM), and in general, the SLM is a device for modulating a signal using a laser light as a carrier wave.
  • SLM spatial light modulator
  • the wavefront control unit 600 may include the active region capable of modulating the light emitted from the light source unit 200 .
  • the wavefront control unit 600 controls the active region according to the step-by-step feedback provided from the feedback providing unit 500 to obtain the active region in which the optimal phase is determined according to a feedback algorithm in the feedback providing unit 500 .
  • the phase of the wavefront of the light for each segment constituting it can be controlled in the range of 0 ⁇ to 2 ⁇ with respect to the optical axis.
  • the near-field optical microscope system of the present invention may further include an atomic force microscope (AFM) to adjust the horizontal or vertical position of the metal probe 100 with a precision of several nanometers.
  • the atomic force microscope (AFM) is characterized in that the horizontal or vertical position of the metal probe 100 can be adjusted by the feedback of the feedback providing unit 500 .
  • the near-field optical microscope system of the present invention has the effect of obtaining a maximally amplified signal by grafting an adaptive optical technology for locally changing a polarization component to a probe-enhanced nanospectroscopic microscope. That is, the present invention is provided with a feedback algorithm that optimizes the local polarization component by grafting the adaptive optical technology that locally changes the polarization component, so that the maximum amplified signal can be obtained, and has twice the intensity compared to the prior art. It has the effect of acquiring a signal.
  • control method of the near-field optical microscope system of the present invention is a light emission step (S100), a light irradiation step (S200), a spectrum generation step (S300), a feedback providing step (S400) and a wavefront control step (S500) includes
  • the control method of the near-field optical microscope system of the present invention incorporates adaptive optical technology capable of improving optical device performance by reducing the effect of rapidly changing optical distortion, and is a control method of an adaptive near-field optical microscope system.
  • the present invention is a method for controlling an adaptive near-field optical microscope system in which a maximally amplified signal is obtained by grafting an adaptive optical technology for locally changing a polarization component to a probe-enhanced nanospectroscopic microscope. .
  • the light emitting step ( S100 ) light is emitted by the light source unit 200 .
  • light may be most preferably emitted by a monochromatic laser emitting a preset wavelength.
  • the light emitted from the light emitting step (S100) is characterized in that it has a linear polarization parallel to the axis of the metal probe (100).
  • the light source unit 200 may be a helium (He)-neon (Ne) laser emitting a continuous wave, and the diameter may be increased to improve spatial filtering and spatial coherence by using a single mode fiber.
  • He helium
  • Ne neon
  • the light emitted from the light source unit 200 is irradiated between the metal probe 100 and the analyte S by the optical probe 300 .
  • the analyte (S) is various nanostructures such as graphene nanoribbons, non-uniform magnetic materials on a nanometer scale, ceramic superconductors, macromagnetic effect materials, semiconductor nanodevices, nanorods, ultrathin films and brilliant cresyl blue (Brilliant cresyl blue, BCB), benzenethiol (BT), adenine monomer, various molecules such as DNA, and the like, and the type of the analyte (S) is not limited to the described material.
  • the metal probe 100 has a distal end 110 positioned adjacent to the analyte S.
  • the metal probe 100 may be coated with a metal or may be a metal itself.
  • the metal may be gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), palladium (Pd), tungsten (W), aluminum (Al), chromium (Cr), or a conductive metal material, and the metal is gold (Au) or silver (Ag) is most preferred.
  • a distance from the cross-sectional area of the distal end 110 of the metal probe 100 to the analyte S may be several nanometers (nm). Most preferably, the distance between the end 110 of the metal probe 100 and the analyte (S) is 2 to 5 nm.
  • the gap is less than 2 nm, the gap is narrow or the gap does not exist, so that the interaction between the light and the analyte (S) is difficult to occur.
  • the interval is more than 5 nm, the interval is widened, and the interaction between the light and the analyte (S) is reduced, and thus the strength of the probe enhancement signal is also weakened.
  • the half-wave plate and the polarization splitter (PBS) in the optical probe 300 are used from the light source unit 200 .
  • the emitted light is polarized and only horizontally polarized (TM polarized) light may be transmitted to the wavefront controller 600 .
  • the horizontally polarized light is modulated into light having a wavefront by the wavefront controller 600 and then reflected from the wavefront controller 600 .
  • the light having the wavefront may pass through the 4f system in the optical probe 300 and be positioned on the rear surface of the objective lens OL, and may be focused by the objective lens OL and the metal probe 100 and the analyte (S) can be intensively investigated between
  • a spectrum is generated by inputting the probe enhancement signal generated by the interaction between the light and the analyte S by the spectrometer 400 .
  • SPP surface plasmon polarization or surface plasmon polariton
  • the probe enhancement signal refers to an electromagnetic wave propagating in a strong local electromagnetic field generated by the metal probe 100 .
  • the probe enhancement signal may be collected from the objective lens OL in the optical probe 300 , and in the spectrum generation step S300 , the probe enhancement signal may be input from the optical probe 300 .
  • the spectrum for the input probe enhancement signal is generated.
  • the spectrum is a spectrum for the intensity of the probe-enhanced signal with respect to the Raman wavenumber using Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS), and Tip-Enhanced Photoluminescence (TEPL) is used.
  • TMS Tip-Enhanced Raman Spectroscopy
  • TEPL Tip-Enhanced Photoluminescence
  • it can be a spectrum for the intensity of the probe-enhanced signal with respect to energy, and a vibration spectrum using Raman and IR activation modes.
  • the feedback is provided in stages so that the wavefront of the light at which the probe enhancement signal with respect to the reference value in the spectrum is maximally amplified is found by the feedback providing unit 500 .
  • the probe enhancement signal is maximally amplified.
  • the step of providing the feedback ( S400 ) is characterized in that it includes the step of dividing the active region ( S410 ) and the step of determining the optimal phase ( S420 ).
  • the active region may be divided into N ⁇ N segments.
  • N is a positive integer.
  • a phase delay function may be used so that the optimal phase of the N ⁇ N segments may be sequentially determined.
  • the optimum phase determination step S420 may provide feedback to the wavefront control step S500 after all optimum phases for the N ⁇ N segments are determined.
  • 600 ⁇ 600 pixels of the active region of the wavefront controller 600 are 12 so that feedback for independently controlling the phase of each segment is provided in the range of 0 ⁇ to 2 ⁇ . It can be divided into x12 segments.
  • the phase delay function is used for the first segment in the 12 ⁇ 12 segment to determine the optimal phase.
  • the optimum phase determination step (S420) is repeated so that the optimum phase of each segment can be sequentially determined for the remaining segments. Finally, after all optimal phases for the 12x12 segment are determined, feedback is transmitted to the wavefront controller 600 .
  • the feedback providing step (S400) may further include a reference value selection step (S430).
  • a reference value according to a spectrum may be selected. If the spectrum is a TEPL spectrum, since it is a spectrum for the intensity of the probe enhancement signal with respect to energy, a reference energy (eV) or a reference wavelength may be selected as the reference value. And if the spectrum is a TERS spectrum, since it is a spectrum for the intensity of the probe enhancement signal with respect to the wavenumber, a reference wavenumber (cm ⁇ 1 ) may be selected as the reference value.
  • the wavefront of the light for each segment constituting the active region is controlled by the wavefront controller 600 according to the feedback.
  • the wavefront control step S500 is performed according to the step-by-step feedback provided from the feedback providing step S400 in order to obtain the active region in which the optimal phase is determined according to the feedback algorithm in the feedback providing unit 500 .
  • the phase of the wavefront of the light for each segment constituting the active region may be controlled in the range of 0 ⁇ to 2 ⁇ with respect to the optical axis.
  • the control method of the near-field optical microscope system of the present invention has an effect that a maximally amplified signal can be obtained by grafting an adaptive optical technology for locally changing a polarization component to a probe-enhanced nanospectroscopic microscope. That is, the present invention is provided with a feedback algorithm that optimizes the local polarization component by grafting adaptive optical technology for locally changing the polarization component, so that the maximum amplified signal can be obtained, and has twice the intensity compared to the prior art. There is an effect that a signal can be obtained.
  • Example 1 Tungsten Iselenide (WSe 2 )
  • tungsten selenide (WSe 2 ) which is a semiconductor material transferred onto a gold (Au) film as the analyte (S), was prepared. At this time, the transferred tungsten diselenide (WSe 2 ) is a monolayer (monolayers).
  • tungsten iselenide (WSe 2 ) onto the gold (Au) film polymethyl methacrylate (PMMA) is spin-coated on a tungsten iselenide (WSe 2 ) monolayer grown on a SiO 2 substrate.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • Spin coating is a coating method in which a solution or liquid material of a material to be coated is dropped on a substrate and then rotated at high speed to spread it thinly.
  • the PMMA-coated tungsten selenide (WSe 2 ) monolayer was separated from the SiO 2 substrate by using a hydrogen fluoride (HF) solution and carefully transferred onto a gold (Au) film.
  • HF hydrogen fluoride
  • tungsten iselenide (WSe 2 ) transferred onto the gold (Au) film was rinsed with distilled water to remove the residual etching solution, and was naturally dried for 6 hours to improve adhesion. Finally, the PMMA was removed using acetone.
  • light having a wavelength of 632.8 nm was emitted from a helium (He)-neon (Ne) laser having a continuous wave.
  • the metal probe 100 was formed of gold (Au).
  • the distance from the cross-sectional area of the distal end 110 of the metal probe 100 to the analyte S was set to 2 nanometers (nm).
  • the light emitted from the helium (He)-neon (Ne) laser is polarized by using the half-wave plate and the polarization splitter (PBS) in the optical probe 300 , and the light emitted from the light source unit 200 is polarized. Only horizontally polarized (TM polarized) light was transmitted to the wavefront controller 600 . In addition, the horizontally polarized light is modulated into light having a wavefront by the wavefront controller 600 and then reflected from the wavefront controller 600 .
  • the light having the wavefront passes through the 4f system in the optical probe 300 and is located on the rear surface of the objective lens OL, and then is condensed by the objective lens OL, and the metal probe 100 and the analyte S ) was intensively investigated between
  • the probe enhancement signal generated by the interaction between the light and the analyte S was collected from the objective lens OL in the optical probe 300 and then transmitted to the spectrometer 400 .
  • an embodiment of the present invention provides a spectrum for the intensity of the probe-enhanced signal with respect to the Raman wavenumber using tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS) according to the probe-enhanced signal, and probe-enhanced photoluminescence.
  • TMS tip-enhanced Raman Spectroscopy
  • a spectrum of the intensity of the probe-enhanced signal with respect to energy was generated using the technique (Tip-Enhanced Photoluminescence; TEPL).
  • 600 ⁇ 600 pixels forming the active area of the wavefront control unit 600 so as to find the wavefront of the light at which the probe enhancement signal is maximally amplified for the reference wavenumber (cm ⁇ 1 ) 255 cm ⁇ 1 in the TERS spectrum is It was divided into 12 x 12 (144) segments.
  • phase delay function was used for the first segment in the 12 ⁇ 12 (144) segments to determine the optimal phase, and then sequentially each segment from the 12 ⁇ 12 (144) segments for the remaining segments The optimal phase of was determined.
  • the 600 ⁇ 600 pixels forming the active region of the wavefront controller 600 are 12 ⁇ 12 so that the wavefront of the light at which the probe enhancement signal is maximally amplified with respect to the reference energy (eV) of 1.65 eV in the TEPL spectrum is found. It was divided into (144) segments.
  • phase delay function was used for the first segment in the 12 ⁇ 12 (144) segments to determine the optimal phase, and then sequentially each segment from the 12 ⁇ 12 (144) segments for the remaining segments The optimal phase of was determined.
  • the phase of the wavefront of the light was controlled in the range of 0 ⁇ to 2 ⁇ with respect to the optical axis according to the feedback for the 12 ⁇ 12 (144) segments in sequence.
  • FIG. 6 is a far-field of WSe 2 transferred on a gold (Au) film for TEPL (a) and TERS (b) according to an embodiment of the present invention, a conventional probe enhancement signal, and the present invention; It is a graph comparing the strength of each probe-enhanced signal.
  • Figure 6 (a) confirms the intensity of the probe enhancement signal with respect to energy based on the TEPL technology.
  • the intensity of the probe enhancement signal with respect to the reference energy of 1.65 eV the long-distance field of WSe 2 transferred to the gold (Au) film (far-field) is a black graph, it is located at intensity 1, and it can be seen that it is the lowest.
  • the intensity of the probe-enhanced signal generated from the conventional probe-enhanced nanospectroscopic microscope is located at intensity 4 in the blue graph.
  • the intensity of the probe-enhanced signal generated by the near-field optical microscope system of the present invention is located at an intensity of 7 or higher in the red graph.
  • (b) of FIG. 6 confirms the intensity of the probe enhancement signal with respect to the Raman wave number based on the TERS technology.
  • the intensity of the probe enhancement signal with respect to the reference wave number of 255 cm ⁇ 1 is viewed, WSe 2 transferred to the gold (Au) film It can be seen that the far-field of is located at intensity 2 in the black graph and is the lowest. And it can be seen that the intensity of the probe-enhanced signal generated from the conventional probe-enhanced nanospectroscopic microscope is located at about intensity 5.4 in the blue graph. And it can be seen that the intensity of the probe-enhanced signal generated by the near-field optical microscope system of the present invention is located at an intensity of 11 or higher in the red graph.
  • the near-field optical microscope system can acquire a probe-enhanced signal more than twice that of the prior art for all spectra obtained based on TEPL and TERS technologies.
  • the BCB was spin-coated at 3000 rpm for 15 seconds in an ethanol solution with low monolayer coverage. And the BCB was covered with a single layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a thickness of 0.5 nm using atomic layer deposition (ALD). This is to suppress thermal activation processes of molecules such as rotation and conformational diffusion at room temperature.
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • ALD atomic layer deposition
  • light having a wavelength of 632.8 nm was emitted from a helium (He)-neon (Ne) laser having a continuous wave.
  • the metal probe 100 was formed of gold (Au).
  • the distance from the cross-sectional area of the distal end 110 of the metal probe 100 to the analyte S was set to 2 nanometers (nm).
  • the light emitted from the helium (He)-neon (Ne) laser is polarized by using the half-wave plate and the polarization splitter (PBS) in the optical probe 300 , and the light emitted from the light source unit 200 is polarized. Only horizontally polarized (TM polarized) light was transmitted to the wavefront controller 600 . In addition, the horizontally polarized light is modulated into light having a wavefront by the wavefront controller 600 and then reflected from the wavefront controller 600 .
  • the light having the wavefront passes through the 4f system in the optical probe 300 and is located on the rear surface of the objective lens OL, and then is condensed by the objective lens OL, and the metal probe 100 and the analyte (S) ) was intensively investigated between
  • the probe enhancement signal generated by the interaction between the light and the analyte S was collected from the objective lens OL in the optical probe 300 and then transmitted to the spectrometer 400 .
  • this embodiment of the present invention provides a spectrum for the intensity of the probe-enhanced signal with respect to the Raman wavenumber using tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS) according to the probe-enhanced signal, and Raman and IR activity A vibration spectrum using the mode was generated.
  • TMS tip-enhanced Raman Spectroscopy
  • the phase of the wavefront of the light is controlled in the range of 0 ⁇ to 2 ⁇ with respect to the optical axis by using the wavefront controller 600 without receiving feedback from the feedback providing unit 500 . .
  • FIG. 7 is a far-field and light wavefront (far-field) of a BCB coated on a gold (Au) film for TERS according to an embodiment of the present invention; , ) is a graph showing the intensity of the probe enhancement signal according to (a) and a vibration spectrum using Raman and IR activation modes (b).
  • the far-field of the BCB coated on the gold (Au) film for TERS is a black graph, and the signal for Raman scattering and the probe enhancement signal are not measured.
  • the probe-enhanced signal of the present invention is a red graph, and the light is the first wavefront ( ), it can be seen that a strong Raman signal appears at the 585 cm -1 reference wave number. This is a signal amplified more than twice compared to the conventional probe-enhanced signal. And the light is a second wavefront ( . _ Referring to (b) of FIG. 7 , it can be seen that strong Raman signals and IR signals are also obtained in the vibration spectrum (b) using the Raman and IR active modes.
  • the near-field optical microscopy system of the present invention is not limited to acquiring a Raman signal, but has the effect of acquiring a stronger Raman signal and an IR signal from a variety of spectra compared to the prior art.

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Abstract

본 발명은 근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말단이 분석물질과 인접하게 위치되는 금속 탐침, 빛을 방출하는 광원부, 상기 광원부로부터 방출된 빛이 상기 금속 탐침과 분석물질 사이에 조사될 수 있도록 하는 광 프로브, 상기 빛과 분석물질과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호를 입력받아 스펙트럼을 생성하는 분광기, 상기 스펙트럼 내 기준치에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면을 찾도록 단계적으로 피드백을 제공하는 피드백 제공부 및 상기 피드백에 따라 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면을 제어하는 파면 제어부를 포함하는 근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

Description

근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법
본 발명은 근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 탐침증강 나노분광현미경에 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응광학기술을 접목하여 최대로 증폭된 신호를 획득하는 근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
전자 현미경의 발전과정을 보면, 1981년 발명된 주사 터널링 현미경(STM)은 물질이나 재료의 나노미터 크기의 구조와 성질을 이해하는 것을 가능하게 하는 출발점이 되었다. 그 후 발명된 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope; AFM), 근접장 광학 현미경(Near-field Scanning Optical Microscope; NSOM)과 같은 주사 프로브 현미경(Scanning Probe Microscope; SPM) 등을 이용하여 물질/재료 표면 구조의 관찰 이외에 다양한 물리적, 광학적 연구가 가능해져 나노과학이라는 새로운 학문의 장이 열리게 되었다.
다만, AFM은 화학적 선택성이 없어 비슷한 부피의 분자들의 화학적 특성을 구별해내는 능력이 없다는 단점이 있다.
그리고 NSOM은 분석화학적 기법을 활용하여 분자량이 비교적 큰 분자들을 구별해내는 것이 가능하여 광학 현미경과 AFM의 결합이나 AFM 팁의 화학적 처리를 통하여 선택성을 부여하는 등의 방법에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
NSOM은 유공 근접장 현미경과 무공 근접장 현미경으로 나눌 수 있는데, 유공 근접장 현미경은 탐침에 파장의 길이보다 매우 짧게 형성된 구멍에 빛을 조사하고 상기 구멍을 통해 새어 나오는 미세한 빛을 스캐닝 기판 상의 시료에 빛의 파장 길이보다 짧은 거리까지 근접하여 조사시키면서 스캔하여 각 스캔 픽셀마다 근접장 빛이 시료과 상호작용하여 나오는 광 신호를 검출하는 현미경으로, 빛이 원천적으로 가졌던 회절 한계를 극복할 수 있으나 탐침부가 가열되어 조사되는 빛의 강도를 일정 수준 이상으로 높일 수 없고 살아있는 세포에 대해서는 정확한 분석이 어려운 단점이 있다.
무공 근접장 현미경은 유공 근접장에서 사용된 광섬유팁을 쓰는 대신 금속이나 유전체로 된 탐침에 매우 집광이 잘된 레이저 광을 방사하여 탐침 끝에 레이저의 광밀도가 집중되도록 한 후 이때 형성된 근접장에 시료를 가까이 접근하여 스캔하는 방식으로서, 가장 대표적으로 탐침 증강 라만 분광학(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy; TERS)이 있다.
여기서, TERS는 원자힘 현미경(AFM)을 이용한 라만 분광법으로, 원자힘 현미경 내 은(Ag) 또는 금(Au) 등의 금속으로 코팅된 탐침과 접촉되는 영역에 한정되어 증폭된 라만 신호가 발생하여 고 분해능의 라만 분광 분석이 가능하도록 한 방법이다. 그리고 TERS은 탐침의 첨단에서 매우 강하게 증가되는 전자기장을 이용하여 탐침 주변 수십 nm2 영역에 대한 라만 스펙트럼을 획득할 수 있다.
다만, 종래의 TERS은 탐침에서 생성되는 전기장의 편광이 외부에서 조사된 빛의 편광으로 결정되지 않기 때문에 라만 산란된 빛의 대칭성을 논할 수 없게 된다. 이러한 이유로 라만 산란의 최대 장점인 대칭성에 따른 라만 선택률을 분석하기 어렵고, 각 탐침에서 증강되는 신호 정도가 매우 달라 재현성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 이를 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 빛과 분석물질의 상호작용이 활발하게 발생할 수 있도록 기하학적인 구조를 갖는 금속 탐침의 표면과 광원부의 국지적인 편광성분이 나란하도록 빛의 파면을 제어하는 근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 최대로 증폭된 신호를 얻도록 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응 광학기술을 접목하여 국소 편광성분을 최적화시키는 피드백 알고리즘을 포함하는 근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템은 말단이 분석물질과 인접하게 위치되는 금속 탐침; 빛을 방출하는 광원부; 상기 광원부로부터 방출된 빛이 상기 금속 탐침과 분석물질 사이에 조사될 수 있도록 하는 광 프로브; 상기 빛과 분석물질과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호를 입력받아 스펙트럼을 생성하는 분광기; 상기 스펙트럼 내 기준치에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면을 찾도록 단계적으로 피드백을 제공하는 피드백 제공부; 및 상기 피드백에 따라 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면을 제어하는 파면 제어부;를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법은 광원부에 의하여, 빛이 방출되는 빛 방출단계; 광 프로브에 의하여, 상기 광원부로부터 방출된 빛이 금속 탐침과 분석물질 사이에 조사되는 빛 조사단계; 분광기에 의하여, 상기 빛과 분석물질과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호가 입력되어 스펙트럼이 생성되는 스펙트럼 생성단계; 피드백 제공부에 의하여, 상기 스펙트럼 내 기준치에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면이 찾아지도록 단계적으로 피드백이 제공되는 피드백 제공단계; 및 파면 제어부에 의하여, 상기 피드백에 따라 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면이 제어되는 파면 제어단계;를 제공한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 기하학적인 구조를 갖는 금속 탐침의 표면과 광원부의 국지적인 편광성분이 나란하도록 빛의 파면을 제어하는 파면 제어부를 구비함으로써, 빛과 분석물질의 상호작용이 활발하게 발생할 수 있고, 이로 인해 최대로 증폭된 신호를 획득할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응 광학기술을 접목하여 국소 편광성분을 최적화시키는 피드백 알고리즘을 구비함으로써, 최대로 증폭된 신호를 획득할 수 있고, 종래 기술대비 2배 이상의 강도를 갖는 신호를 획득할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빛과 분석물질(S)의 상호작용(a) 및 피드백 알고리즘에 대한 그래프(b)를 표시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파면 제어부(600)로부터 빛의 파면이 제어되기 전(a)과 후(b)를 표시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 피드백 제공단계의 세부흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 TEPL(a) 및 TERS(b)에 대한 금(Au) 필름 상에 전사된 WSe2 의 원거리 필드(far-field), 종래 탐침증강신호 및 본 발명의 탐침증강신호의 강도를 각각 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 TERS에 대한 금(Au) 필름 상에 코팅된 BCB의 원거리 필드(far-field) 및 빛의 파면(
Figure PCTKR2020018020-appb-I000001
,
Figure PCTKR2020018020-appb-I000002
)에 따른 탐침증강신호의 강도를 나타낸 그래프(a)와 라만 및 IR 활성모드를 사용한 진동스펙트럼(b)을 표시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
근접장 광학 현미경 시스템
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템 구성도이다.
도 1을 보면, 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템은 금속 탐침(100), 광원부(200), 광 프로브(300), 분광기(400), 피드백 제공부(500) 및 파면 제어부(600)를 포함한다.
본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템은 빠르게 변화하는 광학적인 왜곡의 영향을 줄여 광학 장치 성능을 향상시킬 수 있는 적응광학기술이 접목된 것으로 적응형 근접장 광학 현미경 시스템이다.
본 발명에 따른 일 실시예에 따르면, 본 발명은 탐침증강 나노분광현미경에 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응광학기술을 접목하여 최대로 증폭된 신호를 획득하는 적응형 근접장 광학 현미경 시스템이다.
보다 구체적으로, 상기 금속 탐침(100)은 말단(110)이 분석물질(S)과 인접하게 위치된다. 상기 금속 탐침(100)은 금속으로 코팅되거나, 금속 그 자체일 수 있다. 상기 금속은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 전도성의 금속 재질일 수 있고, 상기 금속은 금(Au) 또는 은(Ag)이 가장 바람직하다.
또한, 상기 금속 탐침(100)의 말단(110)의 단면적으로부터 상기 분석물질(S)까지의 간격은 수 나노미터(nm)일 수 있다. 가장 바람직하게 상기 금속 탐침(100)의 말단(110)과 상기 분석물질(S)의 간격은 2 내지 5nm로 한다.
이유는, 상기 간격이 2nm 미만일 경우에는 간격이 협소하거나 간격이 존재하지 않게 됨으로 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용이 일어나기 어려운 조건이 될 수 있다. 그리고 상기 간격이 5nm 초과일 경우에는 간격이 넓어져 상기 빛과 분석 물질(S)과의 상호작용이 덜 발생되고 이로 인해 탐침증강신호의 강도도 약해지는 단점이 있기 때문이다.
상기 분석물질(S)은 그래핀 나노 리본 등의 여러 나노 구조체, 나노미터 스케일로 불균일한 자성체, 세라믹 초전도체, 거대자기효과 물질, 반도체 나노소자, 나노 로드(Nano Rod), 초박막 및 브릴리언트 크레실 블루(Brilliant cresyl blue, BCB), 벤젠시올(benzenethiol, BT), 아데닌 단량체(adenine monomer), DNA와 같은 다양한 분자 등일 수 있고, 상기 분석물질(S)의 종류는 기재된 물질에 국한되지 않는다.
한편, 상기 분석물질(S)은 금속 필름 상에 위치될 수 있는데, 상기 금속 필름은 가장 바람직하게 금(Au) 또는 은(Ag)으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 광원부(200)는 빛을 방출한다. 상기 광원부(200)는 가장 바람직하게 기 설정된 파장을 방출하는 단색 레이저일 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 광원부(200)는 연속파를 방출하는 헬륨(He)-네온(Ne) 레이저일 수 있고, 단일 모드 섬유를 사용하여 공간 필터링 및 공간 일관성을 개선하기 위하여 직경이 확장될 수 있다.
다음으로, 상기 광 프로브(300)는 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛이 상기 금속 탐침(100)과 분석물질(S)에 조사될 수 있도록 한다. 한편, 상기 프로브(300)는 반파장 판, 편광 스플리터(PBS), 4f 시스템, 및 대물렌즈(OL)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빛과 분석물질(S)의 상호작용(a) 및 피드백 알고리즘에 대한 그래프(b)를 표시한 도면이다.
도 2 이용하여 빛의 이동경로에 대해 설명해보면, 상기 광 프로브(300)는 상기 반파장 판과 편광 스플리터(PBS)를 이용하여 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛을 편광시켜 수평으로 편광된(TM 편광) 빛만을 상기 파면 제어부(600)로 전달할 수 있다.
다시 말하면, 상기 금속 탐침(100)의 말단 표면과 평행한 선형 편광성분만이 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용을 효과적으로 일으키고, 반면에 타 편광성분은 자동적으로 손실된다. 따라서 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용을 극대화할 수 있도록 수평으로 편광된(TM 편광) 빛만을 상기 파면 제어부(600)로 전달할 수 있도록 한다.
그리고 상기 수평으로 편광된 빛은 상기 파면 제어부(600)에 의하여 파면을 갖는 빛으로 변조된 후 상기 파면 제어부(600)로부터 반사된다. 그리고 상기 파면을 갖는 빛은 상기 4f 시스템을 지나 상기 대물렌즈(OL) 후면에 위치할 수 있고, 상기 대물렌즈(OL)에 의하여 집광되어 상기 금속 탐침(100)과 분석물질(S) 사이에 집중적으로 조사될 수 있다.
여기서, 4f 시스템은 두 개의 렌즈가 짝을 이루어 한 면에서 다른 면으로 전달하는 표준적인 시스템을 말한다. 즉, 4f 시스템은 시작 면에서 첫 렌즈까지의 거리가 f1, 첫 렌즈에서 두 번째 렌즈까지의 거리가 f1+f2, 두 번째 렌즈에서 도착 면까지의 거리가 f2이고, 이때 f1과 f2가 같다면 4f의 길이를 갖는 시스템이다.
다음으로, 상기 분광기(400)는 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호를 입력받아 스펙트럼을 생성한다.
이때, 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용은 일반적으로 표면 플라즈몬 편광 또는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, 하기 SPP)이라고 일컫는다. SPP는 준입자 또는 양자 현상을 의미하고, 빛과 집단적인 전자파가 금속의 표면에서 강하게 결합하는 것이다.
즉, 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용은 빛에 의하여 상기 금속 탐침(100)에서 강한 국소적인 전자기장이 발생하고, 상기 전자기장에 의하여 상기 분석물질(S) 내 포함된 입자에서 광 신호를 내는 것을 일컫는다. 그리고 상기 탐침증강신호는 상기 분석물질(S)에서 발생된 전자기파를 일컫는다.
즉, 상기 탐침증강신호는 상기 광 프로브(300) 내 대물렌즈(OL)로부터 수집될 수 있고, 상기 분광기(400)는 상기 광 프로브(300)로부터 상기 탐침증강신호를 입력받을 수 있다.
또한, 상기 분광기(400)는 입력받은 상기 탐침증강신호에 대한 상기 스펙트럼을 생성한다. 이때, 여기서 상기 스펙트럼은 탐침증강 라만분광학(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy; TERS)을 이용하여 라만 파수에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼, 탐침증강 광발광기술(Tip-Enhanced Photoluminescence; TEPL)을 이용하여 에너지에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼, 및 라만 및 IR 활성모드를 사용한 진동스펙트럼일 수 있다.
한편, 상기 분광기(400)는 열전 장치, 에지 필터, EMCCD(Electron Multiplying CCD) 카메라 및 보정을 위한 수은 램프를 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 피드백 제공부(500)는 상기 스펙트럼 내 기준치에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면을 찾도록 단계적으로 피드백을 제공한다.
한편, 상기 피드백 제공부(500)는 스펙트럼에 따른 기준치를 선정할 수 있다. 만약, 상기 스펙트럼이 TEPL 스펙트럼이면 에너지에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼이므로, 상기 기준치로 기준 에너지(eV) 또는 기준 파장을 선정할 수 있다. 그리고 상기 스펙트럼이 TERS 스펙트럼이면 파수에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼이므로, 상기 기준치로 기준 파수(cm-1)를 선정할 수 있다.
이는 상기 스펙트럼에 포함된 수많은 에너지, 파수 또는 파장 중에서 상기 피드백 제공부(500)로부터 선정된 상기 기준 에너지, 파수 또는 파장에 대한 피드백을 제공하기 위함이다.
또한, 상기 피드백 제공부(500)는 상기 활성영역을 N×N 개의 세그먼트로 나누고, 위상 지연 함수를 이용하여 상기 N×N 개의 세그먼트 각각에 대한 최적 위상을 순차적으로 결정할 수 있다.
이는, 상기 피드백 제공부(500)는 상기 금속 탐침(100)의 말단(110) 표면과 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛의 국지적인 편광성분이 나란해지면 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭될 수 있다는 원리에 기반을 둔다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파면 제어부(600)로부터 빛의 파면이 제어되기 전(a)과 후(b)를 표시한 도면이다.
도 3의 (a)를 보면, 파면 제어 전에는 상기 빛의 파면이 상기 금속 탐침(100)의 말단(110)과 일정 각도를 갖고 퍼지는 형태를 보인다. 도 3의 (b)를 보면, 상기 파면 제어부(600)가 상기 피드백 제공부(500)로부터 제공된 피드백에 따라 빛의 파면 제어한 후에는 상기 빛의 파면이 상기 금속 탐침(100)의 말단(110) 표면과 나란해진 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 상기 파면 제어부(600)는 상기 피드백에 따라 상기 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면을 제어한다. 가장 바람직하게, 상기 파면 제어부(600)는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)일 수 있고, 일반적으로 SLM은 레이저광을 반송파로 사용하여 그것을 신호에 의해서 변조하기 위한 장치이다.
즉, 상기 파면 제어부(600)는 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛을 변조할 수 있는 상기 활성영역을 구비할 수 있다. 그리고 상기 파면 제어부(600)는 상기 피드백 제공부(500) 내 피드백 알고리즘에 따라 최적 위상이 결정된 상기 활성영역을 얻기 위해서, 상기 피드백 제공부(500)로부터 제공받은 단계적인 피드백에 따라 상기 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면의 위상을 광축을 기준으로 0π 내지 2π 범위에서 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템은 수 나노미터 정밀도로 상기 금속 탐침(100)의 수평 또는 수직 위치를 조절할 수 있도록 원자력 현미경(AFM)을 더 포함할 수 있다. 상기 원자력 현미경(AFM)은 상기 피드백 제공부(500)의 피드백에 의하여 상기 금속 탐침(100)의 수평 또는 수직 위치를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템은 탐침증강 나노분광현미경에 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응광학기술을 접목하여 최대로 증폭된 신호를 획득할 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명은 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응 광학기술을 접목하여 국소 편광성분을 최적화시키는 피드백 알고리즘을 구비함으로써, 최대로 증폭된 신호를 획득할 수 있고, 종래 기술대비 2배 이상의 강도를 갖는 신호를 획득할 수 있는 효과가 있다.
근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법
도 4는 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법 흐름도이다. 도 4를 보면, 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법은 빛 방출단계(S100), 빛 조사단계(S200), 스펙트럼 생성단계(S300), 피드백 제공단계(S400) 및 파면 제어단계(S500)를 포함한다.
본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법은 빠르게 변화하는 광학적인 왜곡의 영향을 줄여 광학 장치 성능을 향상시킬 수 있는 적응광학기술이 접목된 것으로 적응형 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법이다.
본 발명에 따른 일 실시예에 따르면, 본 발명은 탐침증강 나노분광현미경에 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응광학기술이 접목되어 최대로 증폭된 신호가 획득되는 적응형 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법이다.
보다 구체적으로, 상기 빛 방출단계(S100)는 광원부(200)에 의하여, 빛이 방출된다. 상기 빛 방출단계(S100)는 가장 바람직하게 기 설정된 파장을 방출하는 단색 레이저에 의하여 빛이 방출될 수 있다. 그리고 상기 빛 방출단계(S100)로부터 방출되는 빛은 상기 금속 탐침(100)의 축과 평행한 선형 편광을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부(200)는 연속파를 방출하는 헬륨(He)-네온(Ne) 레이저일 수 있고, 단일 모드 섬유를 사용하여 공간 필터링 및 공간 일관성을 개선하기 위하여 직경이 확장될 수 있다.
다음으로, 상기 빛 조사단계(S200)는 광 프로브(300)에 의하여, 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛이 금속 탐침(100)과 분석물질(S) 사이에 조사된다.
상기 분석물질(S)은 그래핀 나노 리본 등의 여러 나노 구조체, 나노미터 스케일로 불균일한 자성체, 세라믹 초전도체, 거대자기효과 물질, 반도체 나노소자, 나노 로드(Nano Rod), 초박막 및 브릴리언트 크레실 블루(Brilliant cresyl blue, BCB), 벤젠시올(benzenethiol, BT), 아데닌 단량체(adenine monomer), DNA와 같은 다양한 분자 등일 수 있고, 상기 분석물질(S)의 종류는 기재된 물질에 국한되지 않는다.
상기 금속 탐침(100)은 말단(110)이 분석물질(S)과 인접하게 위치된다. 상기 금속 탐침(100)은 금속으로 코팅되거나, 금속 그 자체일 수 있다. 상기 금속은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 또는 전도성의 금속 재질일 수 있고, 상기 금속은 금(Au) 또는 은(Ag)이 가장 바람직하다.
또한, 상기 금속 탐침(100)의 말단(110)의 단면적으로부터 상기 분석물질(S)까지의 간격은 수 나노미터(nm)일 수 있다. 가장 바람직하게 상기 금속 탐침(100)의 말단(110)과 상기 분석물질(S)의 간격은 2 내지 5nm로 한다.
이유는, 상기 간격이 2nm 미만일 경우에는 간격이 협소하거나 간격이 존재하지 않게 됨으로 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용이 일어나기 어려운 조건이 될 수 있다. 그리고 상기 간격이 5nm 초과일 경우에는 간격이 넓어져 상기 빛과 분석 물질(S)과의 상호작용이 줄어들고 이로 인해 탐침증강신호의 강도도 약해지는 단점이 있기 때문이다.
또한, 도 1을 이용하여 빛의 이동경로에 대해 설명해보면, 상기 빛 조사단계(S200)는 상기 광 프로브(300) 내 상기 반파장 판과 편광 스플리터(PBS)가 이용되어 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛이 편광되어 수평으로 편광된(TM 편광) 빛만이 상기 파면 제어부(600)로 전달될 수 있다. 그리고 상기 수평으로 편광된 빛은 상기 파면 제어부(600)에 의하여 파면을 갖는 빛으로 변조된 후 상기 파면 제어부(600)로부터 반사된다. 그리고 상기 파면을 갖는 빛은 상기 광 프로브(300) 내 4f 시스템을 지나 상기 대물렌즈(OL) 후면에 위치될 수 있고, 상기 대물렌즈(OL)에 의하여 집광되어 상기 금속 탐침(100)과 분석물질(S) 사이에 집중적으로 조사될 수 있다.
다음으로, 상기 스펙트럼 생성단계(S300)는 분광기(400)에 의하여, 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호가 입력되어 스펙트럼이 생성된다.
이때, 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용은 일반적으로 표면 플라즈몬 편광 또는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, 하기 SPP)이라고 일컫는다. SPP는 준입자 또는 양자 현상을 의미하고, 빛과 집단적인 전자파가 금속의 표면에서 강하게 결합하는 것이다.
즉, 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용은 빛에 의하여 상기 금속 탐침(100)에서 강한 국소적인 전자기장이 발생되고, 상기 전자기장에 의하여 상기 분석물질(S) 내 포함된 입자가 증강되는 것을 일컫는다. 그리고 상기 탐침증강신호는 상기 금속 탐침(100)에서 발생된 강한 국소적인 전자기장에서 진행하는 전자기파를 일컫는다.
즉, 상기 탐침증강신호는 상기 광 프로브(300) 내 대물렌즈(OL)로부터 수집될 수 있고, 상기 스펙트럼 생성단계(S300)는 상기 광 프로브(300)로부터 상기 탐침증강신호가 입력될 수 있다.
그리고 상기 스펙트럼 생성단계(S300)는 입력받은 상기 탐침증강신호에 대한 상기 스펙트럼이 생성된다. 이때, 여기서 상기 스펙트럼은 탐침증강 라만분광학(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy; TERS)을 이용하여 라만 파수에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼, 탐침증강 광발광기술(Tip-Enhanced Photoluminescence; TEPL)을 이용하여 에너지에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼, 및 라만 및 IR 활성모드를 사용한 진동스펙트럼일 수 있다.
다음으로, 상기 피드백 제공단계(S400)는 피드백 제공부(500)에 의하여, 상기 스펙트럼 내 기준치에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면이 찾아지도록 단계적으로 피드백이 제공된다.
또한, 상기 피드백 제공단계(S400)는 상기 금속 탐침(100)의 말단(110) 표면과 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛의 국지적인 편광성분이 나란해지는 경우 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭된 것으로 판단될 수 있다.
도 5는 본 발명의 피드백 제공단계(S400)의 세부흐름도이다. 도 5를 보면, 상기 피드백 제공단계(S400)는 활성영역 분할단계(S410) 및 최적 위상 결정단계(S420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 활성영역 분할단계(S410)는 상기 활성영역이 N×N 개의 세그먼트로 나눠질 수 있다. 여기서, 상기 N은 양의 정수이다. 상기 최적 위상 결정단계(S420)는 위상 지연 함수가 이용되어 상기 N×N 개의 세그먼트가 순차적으로 최적 위상이 결정될 수 있다. 그리고 상기 최적 위상 결정단계(S420)는 상기 N×N 개의 세그먼트에 대한 최적 위상이 모두 결정된 후 상기 파면 제어단계(S500)로 피드백을 제공할 수 있다.
예컨대, 도 2를 보면, 상기 활성영역 분할단계(S410)는 0π 내지 2π 범위에서 독립적으로 각 세그먼트의 위상이 제어하는 피드백이 제공되도록 상기 파면 제어부(600)의 활성영역의 600×600 픽셀이 12×12 세그먼트로 나눠질 수 있다.
그리고 상기 최적 위상 결정단계(S420)는 12×12 세그먼트에서 첫 번째 세그먼트를 대상으로 위상 지연 함수가 이용되어 최적 위상이 결정된다. 그리고 상기 최적 위상 결정단계(S420)는 나머지 세그먼트를 대상으로 순차적으로 각 세그먼트의 최적 위상이 결정될 수 있도록 반복된다. 최종적으로 상기 12×12 세그먼트에 대해서 최적 위상이 모두 결정된 후 피드백이 상기 파면 제어부(600)로 전송된다.
한편, 상기 피드백 제공단계(S400)는 기준치 선정단계(S430)를 더 포함할 수 있다. 상기 기준치 선정단계(S430)는 스펙트럼에 따른 기준치가 선정될 수 있다. 만약, 상기 스펙트럼이 TEPL 스펙트럼이면 에너지에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼이므로, 상기 기준치로 기준 에너지(eV) 또는 기준 파장이 선정될 수 있다. 그리고 상기 스펙트럼이 TERS 스펙트럼이면 파수에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼이므로, 상기 기준치로 기준 파수(cm-1)가 선정될 수 있다.
이는 상기 스펙트럼에 포함된 수많은 에너지, 파수 또는 파장 중에서 상기 기준치 선정단계(S430)로부터 선정된 상기 기준 에너지, 파수 또는 파장에 대한 피드백이 제공되기 위함이다.
다음으로, 상기 파면 제어단계(S500)는 파면 제어부(600)에 의하여, 상기 피드백에 따라 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면이 제어된다.
이때, 상기 파면 제어단계(S500)는 상기 피드백 제공부(500) 내 피드백 알고리즘에 따라 최적 위상이 결정된 상기 활성영역이 얻어지기 위해서, 상기 피드백 제공단계(S400)로부터 제공받은 단계적인 피드백에 따라 상기 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면의 위상을 광축을 기준으로 0π 내지 2π 범위에서 제어될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법은 탐침증강 나노분광현미경에 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응광학기술이 접목되어 최대로 증폭된 신호가 획득될 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명은 국소적으로 편광성분을 바꾸는 적응 광학기술이 접목되어 국소 편광성분을 최적화시키는 피드백 알고리즘이 구비됨으로써, 최대로 증폭된 신호가 획득될 수 있고, 종래 기술대비 2배 이상의 강도를 갖는 신호가 획득될 수 있는 효과가 있다.
실시예 1: 이셀레늄화텅스텐(WSe2)
실험방법
본 발명의 일실시예는 상기 분석물질(S)로 금(Au) 필름 상에 전사된 반도체 소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 준비되었다. 이때, 상기 전사된 이셀레늄화텅스텐(WSe2)은 단분자층(monolayers)이다.
상기 금(Au) 필름 상에 이셀레늄화텅스텐(WSe2)을 전사시키기 위해, SiO2 기판에서 성장한 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 단분자층 위에 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA)가 스핀 코팅되었다. 스핀 코팅은 코팅할 물질의 용액이나 액체 물질을 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅방법이다. 그리고 상기 PMMA가 코팅된 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 단분자층은 불화수소(HF) 용액이 이용되어 상기 SiO2 기판으로부터 분리되고 조심스럽게 금(Au) 필름 상에 옮겨졌다.
그리고 상기 금(Au) 필름 상에 옮겨진 상기 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 증류수로 헹궈져 잔여 애칭액이 제거되었고, 접착력을 향상시키기 위해 6시간 동안 자연건조 되었다. 마지막으로, 아세톤을 이용하여 상기 PMMA가 제거되었다.
본 발명의 일실시예는 연속파를 갖는 헬륨(He)-네온(Ne) 레이저로부터 632.8nm 파장의 빛이 방출되었다. 상기 금속 탐침(100)은 금(Au)으로 형성되었다. 상기 금속 탐침(100)의 말단(110)의 단면적으로부터 상기 분석물질(S)까지의 간격은 2 나노미터(nm)로 설정되었다.
또한, 상기 헬륨(He)-네온(Ne) 레이저로부터 방출된 빛은 상기 광 프로브(300) 내 상기 반파장 판과 편광 스플리터(PBS)가 이용되어 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛이 편광되어 수평으로 편광된(TM 편광) 빛만이 상기 파면 제어부(600)로 전달되었다. 그리고 상기 수평으로 편광된 빛은 상기 파면 제어부(600)에 의하여 파면을 갖는 빛으로 변조된 후 상기 파면 제어부(600)로부터 반사되었다. 그리고 상기 파면을 갖는 빛은 상기 광 프로브(300) 내 4f 시스템을 지나 상기 대물렌즈(OL) 후면에 위치된 후 상기 대물렌즈(OL)에 의하여 집광되어 상기 금속 탐침(100)과 분석물질(S) 사이에 집중적으로 조사되었다. 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호는 상기 광 프로브(300) 내 대물렌즈(OL)로부터 수집된 후 분광기(400)로 전송되었다.
다음으로, 본 발명의 일실시예는 상기 탐침증강신호에 따른 탐침증강 라만분광학(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy; TERS)을 이용하여 라만 파수에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼과, 탐침증강 광발광기술(Tip-Enhanced Photoluminescence; TEPL)을 이용하여 에너지에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼이 생성되었다.
우선, TERS 스펙트럼 내 기준 파수(cm-1) 255cm-1에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면이 찾아지도록 상기 파면 제어부(600)의 활성영역을 형성하는 600×600 픽셀이 12×12(144)개의 세그먼트로 나눠졌다.
그리고 상기 12×12(144)개의 세그먼트에서 첫 번째 세그먼트를 대상으로 위상 지연 함수가 이용되어 최적 위상이 결정되었고, 이후에 상기 12×12(144)개의 세그먼트에서 나머지 세그먼트를 대상으로 순차적으로 각 세그먼트의 최적 위상이 결정되었다.
또한, TEPL 스펙트럼 내 기준 에너지(eV) 1.65eV에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면이 찾아지도록 상기 파면 제어부(600)의 활성영역을 형성하는 600×600 픽셀이 12×12(144)개의 세그먼트로 나눠졌다.
그리고 상기 12×12(144)개의 세그먼트에서 첫 번째 세그먼트를 대상으로 위상 지연 함수가 이용되어 최적 위상이 결정되었고, 이후에 상기 12×12(144)개의 세그먼트에서 나머지 세그먼트를 대상으로 순차적으로 각 세그먼트의 최적 위상이 결정되었다.
다음으로, 본 발명의 일실시예는 상기 순차적으로 상기 12×12(144)개의 세그먼트에 대한 피드백에 따라 상기 빛의 파면의 위상을 광축을 기준으로 0π 내지 2π 범위에서 제어되었다.
실험결과
본 발명의 일실시예에 따라 획득된 탐침증강신호를 분석해보면 하기와 같다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 TEPL(a) 및 TERS(b)에 대한 금(Au) 필름 상에 전사된 WSe2의 원거리 필드(far-field), 종래 탐침증강신호 및 본 발명의 탐침증강신호의 강도를 각각 비교한 그래프이다.
도 6의 (a)는 TEPL 기술기반으로 에너지에 대한 탐침증강신호의 강도를 확인한 것으로, 기준 에너지 1.65eV를 기준으로 탐침증강신호의 강도를 보면 금(Au) 필름에 전사된 WSe2의 원거리 필드(far-field)가 검정색 그래프로 강도 1에 위치하며 가장 낮은 것을 알 수 있다. 그리고 종래 탐침증강 나노분광현미경으로부터 생성한 탐침증강신호의 강도는 파란색 그래프로 강도 4에 위치하는 것을 알 수 있다. 그리고 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템으로부터 생성한 탐침증강신호의 강도는 빨간색 그래프로 강도 7 이상에 위치하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6의 (b)는 TERS 기술기반으로 라만 파수에 대한 탐침증강신호의 강도를 확인한 것으로 기준 파수 255cm-1를 기준으로 탐침증강신호의 강도를 보면 금(Au) 필름에 전사된 WSe2의 원거리 필드(far-field)가 검정색 그래프로 강도 2에 위치하며 가장 낮은 것을 알 수 있다. 그리고 종래 탐침증강 나노분광현미경으로부터 생성한 탐침증강신호의 강도는 파란색 그래프로 강도 5.4 정도에 위치하는 것을 알 수 있다. 그리고 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템으로부터 생성한 탐침증강신호의 강도는 빨간색 그래프로 강도 11 이상에 위치하는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 근접장 광학 현미경 시스템은 TEPL 및 TERS 기술기반으로 얻은 모든 스펙트럼에 대해서 종래 기술 대비 2배 이상의 탐침증강신호를 획득할 수 있는 것을 증명할 수 있다.
실시예 2 : 브릴리언트 크레실 블루(BCB)
실험방법
본 발명의 이실시예는 상기 분석물질(S)로 금(Au) 필름 상에 코팅된 브릴리언트 크레실 블루(Brilliant Cresyl Blue; BCB)가 준비되었다.
즉, 상기 BCB는 단층 커버리지가 적은 에탄올 용액에서 15초 동안 3000rpm으로 스핀 코팅되었다. 그리고 상기 BCB는 원자층 증착(ALD)을 이용하여 0.5nm 두께의 산화알루미늄(Al2O3) 단층으로 덮어졌다. 이는 실온에서 회전 및 구조적 확산과 같은 분자의 열 활성화 프로세스를 억제하기 위함이다.
본 발명의 이실시예는 연속파를 갖는 헬륨(He)-네온(Ne) 레이저로부터 632.8nm 파장의 빛이 방출되었다. 상기 금속 탐침(100)은 금(Au)으로 형성되었다. 상기 금속 탐침(100)의 말단(110)의 단면적으로부터 상기 분석물질(S)까지의 간격은 2 나노미터(nm)로 설정되었다.
또한, 상기 헬륨(He)-네온(Ne) 레이저로부터 방출된 빛은 상기 광 프로브(300) 내 상기 반파장 판과 편광 스플리터(PBS)가 이용되어 상기 광원부(200)로부터 방출된 빛이 편광되어 수평으로 편광된(TM 편광) 빛만이 상기 파면 제어부(600)로 전달되었다. 그리고 상기 수평으로 편광된 빛은 상기 파면 제어부(600)에 의하여 파면을 갖는 빛으로 변조된 후 상기 파면 제어부(600)로부터 반사되었다. 그리고 상기 파면을 갖는 빛은 상기 광 프로브(300) 내 4f 시스템을 지나 상기 대물렌즈(OL) 후면에 위치된 후 상기 대물렌즈(OL)에 의하여 집광되어 상기 금속 탐침(100)과 분석물질(S) 사이에 집중적으로 조사되었다. 상기 빛과 분석물질(S)과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호는 상기 광 프로브(300) 내 대물렌즈(OL)로부터 수집된 후 분광기(400)로 전송되었다.
다음으로, 본 발명의 이실시예는 상기 탐침증강신호에 따른 탐침증강 라만분광학(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy; TERS)을 이용하여 라만 파수에 대한 탐침증강신호의 강도에 대한 스펙트럼과, 라만 및 IR 활성모드가 사용된 진동스펙트럼이 생성되었다.
다만, 본 발명의 이실시예는 상기 피드백 제공부(500)로부터 피드백을 제공받지 않고, 상기 파면 제어부(600)를 이용하여 상기 빛의 파면의 위상을 광축을 기준으로 0π 내지 2π 범위에서 제어되었다.
실험결과
본 발명의 이실시예에 따라 획득된 탐침증강신호를 분석해보면 하기와 같다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 TERS에 대한 금(Au) 필름 상에 코팅된 BCB의 원거리 필드(far-field) 및 빛의 파면(
Figure PCTKR2020018020-appb-I000003
,
Figure PCTKR2020018020-appb-I000004
)에 따른 탐침증강신호의 강도를 나타낸 그래프(a)와 라만 및 IR 활성모드를 사용한 진동스펙트럼(b)을 표시한 도면이다.
도 7의 (a)를 보면, TERS에 대한 금(Au) 필름 상에 코팅된 BCB의 원거리 필드(far-field)는 검정색 그래프로, 라만 산란에 대한 신호 및 탐침증강신호가 측정되지 않는다.
반면에 본 발명의 탐침증강신호는 빨간색 그래프로, 상기 빛이 제 1 파면(
Figure PCTKR2020018020-appb-I000005
)을 갖는 경우 585cm-1 기준 파수에서 강한 라만 신호가 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 종래 탐침증강신호 대비 2배 이상 증폭된 신호이다. 그리고 상기 빛이 제 2 파면(
Figure PCTKR2020018020-appb-I000006
)을 갖는 585cm-1 기준 파수에서 강한 라만 신호가 나타날 뿐만 아니라 파수 613cm-1에서 강한 IR 신호가 나타나는 것을 볼 수 있다. 도 7의 (b)를 보면, 라만 및 IR 활성모드를 사용한 진동스펙트럼(b)에서 도 역시 강한 라만 신호 및 IR 신호가 획득된 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 근접장 광학 현미경 시스템은 라만 신호를 획득하는 것에만 한정하지 않고, 다양한 스펙트럼으로부터 종래 대비 강한 라만 신호 및 IR 신호를 획득할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (6)

  1. 말단이 분석물질과 인접하게 위치되는 금속 탐침;
    빛을 방출하는 광원부;
    상기 광원부로부터 방출된 빛이 상기 금속 탐침과 분석물질 사이에 조사될 수 있도록 하는 광 프로브;
    상기 빛과 분석물질과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호를 입력받아 스펙트럼을 생성하는 분광기;
    상기 스펙트럼 내 기준치에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면을 찾도록 단계적으로 피드백을 제공하는 피드백 제공부; 및
    상기 피드백에 따라 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면을 제어하는 파면 제어부; 를 포함하는 근접장 광학 현미경 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 제공부는,
    상기 활성영역을 N×N 개의 세그먼트로 나누고, 위상 지연 함수를 이용하여 상기 N×N 개의 세그먼트 각각에 대한 최적 위상을 순차적으로 결정하는 특징으로 하는 근접장 광학 현미경 시스템.
    여기서 N은 양의 정수이다.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 제공부는,
    상기 금속 탐침의 말단 표면과 상기 빛의 국지적인 편광성분이 나란해지면 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 근접장 광학 현미경 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 파면 제어부는,
    상기 빛의 파면의 위상을 광축을 기준으로 0π 내지 2π 범위에서 제어하는 것을 특징으로 하는 근접장 광학 현미경 시스템.
  5. 광원부에 의하여, 빛이 방출되는 빛 방출단계;
    광 프로브에 의하여, 상기 광원부로부터 방출된 빛이 금속 탐침과 분석물질 사이에 조사되는 빛 조사단계;
    분광기에 의하여, 상기 빛과 분석물질과의 상호작용으로 생성된 탐침증강신호가 입력되어 스펙트럼이 생성되는 스펙트럼 생성단계;
    피드백 제공부에 의하여, 상기 스펙트럼 내 기준치에 대한 상기 탐침증강신호가 최대로 증폭되는 상기 빛의 파면이 찾아지도록 단계적으로 피드백이 제공되는 피드백 제공단계; 및
    파면 제어부에 의하여, 상기 피드백에 따라 활성영역을 구성하는 각각의 세그먼트에 대한 상기 빛의 파면이 제어되는 파면 제어단계; 를 포함하는 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 피드백 제공단계는,
    상기 활성영역이 N×N 개의 세그먼트로 나눠지는 활성영역 분할단계;및
    위상 지연 함수가 이용되어 상기 N×N 개의 세그먼트가 순차적으로 최적 위상이 결정되는 최적 위상 결정단계;를 포함하는 근접장 광학 현미경 시스템의 제어방법.
    여기서 N은 양의 정수이다.
PCT/KR2020/018020 2020-09-10 2020-12-10 근접장 광학 현미경 시스템 및 이의 제어방법 WO2022055040A1 (ko)

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