Доктор технических наук Виктор БЫКОВ, генеральный директор компании "НТ-МДТ" (Зеленоград, Москва)

Еще со школьной скамьи известно: пространственное разрешение любого оптического метода ограничено дифракцией - явлением, рассматриваемым как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Для видимого света с его привычной цветовой гаммой предел разрешения составляет около 200 нм. Это та граница на шкале размеров, отделяющая, словно река Лета, макро- и микромир ярких красок от бесцветного наномира, в котором само понятие естественного спектра, казалось бы, теряет смысл. Развитие современных методов позволило перешагнуть дифракционный предел, и сегодня оптические свойства вещества в видимом диапазоне длин волн можно изучать с пространственным разрешением в десятки нанометров. Рассмотрим только два подхода, разработанные с использованием сканирующей зондовой микроскопии.

СКАНИРУЮЩАЯ БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ

Поскольку свет - это волны, то дифракция не позволяет сфокусировать луч в пятно меньше некоторого предела (около 200 нм). Но что будет, если заставить его проходить через очень маленькое отверстие (диафрагму) с диаметром, существенно меньшим длины волны? Здравый смысл подсказывает: на большом удалении получим весьма слабый сигнал (при этом луч будет расширяться в силу все той же дифракции), вблизи - достаточно узкий световой пучок.

Идею сделать микроскоп, работающий по такому принципу, предложил еще в 1928 г. Эдвард Синг

Ключевой элемент ближнепольного микроскопа - оптический зонд, субволновая диафрагма, удерживаемая на малом расстоянии от поверхности.

(Ирландия). Он же разработал и теорию сканирующей ближнепольной оптической микроскопии, т.е. детально описал, что происходит со светом вблизи субволнового отверстия - в "ближнем поле" (отсюда и название метода). В чем его суть? Если заставить свет пройти через диафрагму диаметром 50 - 100 нм (что существенно меньше длины волны) и приблизить ее на расстояние нескольких десятков нанометров к поверхности некоего образца, то, перемещая "источник" от точки к точке, можно исследовать его оптические свойства в локальной области, соответствующей размеру отверстия. Причем "возникающий" в непосредственной близости свет может взаимодействовать с веществом по вполне привычным законам - отражаться, поглощаться, рассеиваться, вызывать люминесценцию и т.д.

Теория, намного опередившая технические возможности своего времени, осталась практически незамеченной. Только в начале 1980-х годов группа исследователей из Цюрихской лаборатории фирмы IBM (Германия) во главе с Дитером Полем проникла внутрь дифракционного предела и продемонстрировала разрешение в несколько десятков нанометров на приборе, работающем в видимом оптичес-

Картина дифракции, возникающая при фокусировании света объективом обычного оптического микроскопа. Изображение получено с помощью сканирующего ближнепольного микроскопа ИНТЕГРА Солярис. Распределение интенсивности оптического сигнала кодировано псевдоцветом (шкала справа).

ком диапазоне. Он получил название ближнепольного сканирующего микроскопа. Это изобретение открыло возможность изучать нанолокальные оптические свойства объекта.

Роль отверстия (субволновой диафрагмы) в таком устройстве обычно выполняет оптоволокно, один конец которого заострен и покрыт тонким слоем металла везде, кроме небольшой точки на острие. Диаметр ненапыленной области и составляет те самые 50 - 100 нм. С другого конца свет поступает от лазера.

Естественно, возникают вопросы. Как добиться того, чтобы субволновая диафрагма находилась на расстоянии в несколько нанометров от поверхности? Как сделать это расстояние постоянным в процессе сканирования? Ведь величина оптического сигнала, какой бы ни была его природа, сильно зависит от удаления объекта.

Существует несколько подходов к решению задачи удержания диафрагмы над поверхностью. Один из них реализован в нанолаборатории ИНТЕГРА Солярис, созданной нашей компанией "НТ-МДТ"*. В ней нашла применение методика так называемых поперечно-силовых взаимодействий. Суть ее в следующем. Оптоволокно с субволновой апертурой (оптикой) на конце приводится в состояние вынужденных колебаний. Поверхность объекта всегда покрыта тонким слоем адсорбента. Кроме того, условия трения кончика зонда о воздух в непосредственной близости от поверхности отличаются от таковых на удалении. В результате амплитуда вынужденных колебаний крайней точки оптоволокна резко уменьшается в непосредственной близости от поверхности (еще до касания образца). Этот параметр регистрирует кварцевый резонансный датчик и использует в качестве сигнала обратной связи. В зависимости от него пьезоэлементы поднимают оптический зонд над поверхностью, когда амплитуда колебаний сильно уменьшается, или, напротив, приближают его к ней. При такой схеме одновременно с построением оптического изображения исследователь автоматически получает карту рельефа поверхности. ИНТЕГРА Солярис позволяет изучать оптические явления с пространственным разрешением 30 - 50 нм!

Метод сканирующей ближнепольной микроскопии подразумевает работу с очень слабыми сигналами. При прохождении через субволновую диафрагму их интенсивность снижается на 4 - 5 порядков. "Остатка" оказывается вполне достаточно (при условии высокой чувствительности детектора), если исследователь имеет дело с высокопрозрачными объектами, яркой флуоресценцией или хорошо отражающими поверхностями. Однако не все оптические методы доступны для данных приборов. Например, спектроскопия комбинационного рассеяния, используемая в физических, физико-химических и биологических лабораториях мира для изучения состава и строения материалов, сама по себе основана на регистрации слабых сигналов. Поэтому ее совмещение со сканирующей ближнепольной опти-

* Компания "НТ-МДТ" - ведущий отечественный производитель оборудования для нанотехнологий, работает на рынке научного приборостроения с 1989 г. Значительная часть продукции экспортируется в ведущие научные центры США и стран Западной Европы. См.: В. Быков. Микроскоп... рассматривающий атомы. - Наука в России, 2000, N 4; В. Быков. Продвижение в глубь материи. - Наука в России, 2008, N 6 (прим. ред.).

ческой микроскопией для спектральных измерений за дифракционным пределом невозможно.

МИКРОСКОПИЯ СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

В конце XX в. ученые (в частности, Мартин Флейшман из Университета штата Юта, США) открыли удивительное явление: наноразмерные неровности на поверхности некоторых металлов (в частности, золота и серебра) способны на несколько порядков увеличивать вероятность комбинационного рассеяния. А по его спектрам можно обнаруживать сверхмалые количества вещества (вплоть до единичных молекул). Данный феномен, получивший в англоязычной литературе название SERS (Surface Enhanced Raman Scattering), лег в основу множества научных публикаций.

Но решая проблему слабых сигналов в спектроскопии комбинационного рассеяния, SERS оставляет открытым вопрос пространственного разрешения. Очевиден факт: если около одной наноразмерной шероховатости (скажем, наночастицы серебра) окажутся две одинаковые молекулы, исследователь в принципе не "увидит" их как два отдельных источника сигнала, и тем более - не измерит расстояние между ними, если оно будет меньше предела дифракции.

Специалисты "НТ-МДТ" первыми соединили оптический спектроскоп комбинационного рассеяния со сканирующим зондовым микроскопом и на этой основе создали коммерческий прибор ИНТЕГРА Спектра, позволяющий получать изображения с разрешением до 50 нм. В качестве наноразмерношероховатой поверхности в нем выступает кончик зонда со специальным металлическим покрытием. Его помещают в определенную область светового пучка, фокусирующегося мощным оптическим микроскопом, причем благодаря включению в систему конфокального (софокусируемого) сканирующего лазерного спектрометра пространственное разрешение оптической части близко к предельно возможному. Освещенное острие зонда, приближающееся к образцу, начинает усиливать комбинационное рассеяние в его поверхностном слое. Перемещая материал и регистрируя сигнал комбинационного рассеяния в каждой точке поверхности, можно построить карту распределения спектральных свойств в нем.

Явления, в которых гигантское усиление света достигается с помощью специального острия, в лите-

Усиление сигнала комбинационного рассеяния происходит в небольшой области пространства вблизи от кончика зонда. На спектрах справа показано, как освещенное острие зонда, приближающееся к образцу (углеродным нанотрубкам), многократно усиливает комбинационное рассеяние.

Результаты спектроскопии комбинационного рассеяния углеродных нанотрубок. Слева - конфокальное изображение пучка нанотрубок, справа - изображение того же пучка, сделанное с помощью освещенного острия зонда.

Данные получены на приборе ИНТЕГРА Спектра.

ратуре обозначают аббревиатурой TERS (Tip Enhanced Raman Scattering). Научных работ по этой тематике в нашей и зарубежной периодике опубликовано немало. Однако специалисты "НТ-МДТ" первыми вышли на коммерческое использование этих результатов, разработав прибор ИНТЕГРА Спектра. Его специальный зонд, точно спозиционированный в фокусе светового пучка, может локализовать сигнал комбинационного рассеяния с разрешением в несколько десятков нанометров. Это открывает огромные возможности практически во всех областях науки, особенно в физике, химии и биологии, где спектроскопию комбинационного рассеяния используют как источник информации о веществе. Характерное для прибора уникальное сочетание высокого пространственного разрешения и чувствительности позволяет идентифицировать его сверхмалые количества "по цвету". Перспективность заложенной в его основу идеи оценил американский журнал "Research and Development": подводя итоги ежегодного конкурса инноваций, он назвал ИНТЕГРА Спектра одной из 100 лучших разработок 2006 г. в области аналитического оборудования.

Таким образом, рассмотрев два разных подхода в изучении оптических свойств вещества в видимом диапазоне длин волн, реализованных компанией "НТ-МДТ" в соответствующих нанотехнологических инструментах, можно утвердительно ответить на вопрос, поставленный в заглавии статьи: цвета у нанообъектов не только существуют, но и доступны для наблюдения.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: