Skaningowa mikroskopia optyczna bliskiego pola w trybie rozpraszania (s-SNOM lub sSNOM) to zaawansowana technika obrazowania i spektroskopii, niewymagająca znakowania próbek, która przełamuje klasyczne ograniczenie dyfrakcyjne, osiągając rozdzielczość nanometryczną – zazwyczaj poniżej 50 nm, w niektórych przypadkach nawet do 10 nm. Łączy ona zdolność odwzorowania topografii z rozdzielczością poniżej nanometra, charakterystyczną dla mikroskopii sił atomowych (AFM), z czułością chemiczną spektroskopii optycznej (VIS/IR). Technika sSNOM wykorzystuje ostrze AFM jako antenę, która ogniskuje światło na skanowanej powierzchni i rozprasza je, umożliwiając bezznacznikowe obrazowanie materiałów oraz próbek biologicznych z rozdzielczością poniżej limitu dyfrakcyjnego. sSNOM stosuje podejście „bezaperturowe”, w którym skupiona wiązka laserowa oświetla metalowe lub pokryte metalem ostrze AFM.

Zasadę działania sSNOM można podsumować w kilku krokach:

1. Oświetlenie: zewnętrzna wiązka laserowa (zakres widzialny, IR lub THz) jest ogniskowana na ostrzu drgającej sondy AFM. Ostra, metaliczna sonda działa jak nanoantena, koncentrując składową elektryczną padającego promieniowania elektromagnetycznego w bardzo małym obszarze (bliskie pole) na jej wierzchołku.

2. Rozpraszanie w bliskim polu: skoncentrowane pole elektryczne oddziałuje z powierzchnią próbki, prowadząc do rozpraszania, które jest silnie zlokalizowane bezpośrednio pod ostrzem. Intensywność tego rozpraszania jest w dużym stopniu zależna od lokalnych właściwości dielektrycznych próbki (np. współczynnika załamania i absorpcji).

3. Oscylacja: ostrze sondy AFM oscyluje z określoną częstotliwością Ω, co przekłada się na modulację światła rozproszonego. Dzięki temu detektor jest w stanie oddzielić silnie zlokalizowany sygnał pola bliskiego od sygnału tła pola dalekiego, pochodzącego z całego ogniska wiązki.

4. Detekcja: wzmacniacz typu lock-in wyodrębnia sygnał dla wyższych harmonicznych częstotliwości oscylacji (2Ω, 3Ω, …). Ten kluczowy etap eliminuje sygnał tła wynikający z odbić w dalekim polu, pozostawiając jedynie zlokalizowany sygnał pola bliskiego.

5. Detekcja interferometryczna: nowoczesny system sSNOM (np. układ stosowany w SPOTLab) wykorzystuje detekcję interferometryczną do pomiaru zarówno amplitudy, jak i fazy światła rozproszonego. Wielkości te są bezpośrednio powiązane z lokalnymi właściwościami optycznymi próbki, takimi jak absorpcja i zdolność odbijania.

sSNOM jest niezwykle wszechstronną techniką, która umożliwia przeprowadzanie analizy spektroskopowej w zakresie podczerwieni (IR) w skali nanometrycznej, pozwalając na identyfikację składu chemicznego materiałów z rozdzielczością przestrzenną rzędu 10 – 20 nm. Dzięki temu znajduje swoje zastosowanie do badania polimerów, cienkich warstw organicznych oraz materiałów kompozytowych. sSNOM może być stosowany do bezznacznikowego obrazowania żywych komórek, bakterii (np. E. coli) oraz lipidów w skali nanometrycznej, pozwalając na precyzyjną lokalizację makromolekuł (np. białek) i określenie składu chemicznego w środowiskach wodnych. sSNOM doskonale nadaje się również do mapowania plazmonów powierzchniowych w grafenie i nanostrukturach złota, a także powierzchniowych polarytonów fononowych w materiałach, takich jak heksagonalny azotek boru (h-BN). Technika ta umożliwia identyfikację defektów oraz mapowanie koncentracji swobodnych nośników w półprzewodnikach, a także monitorowanie przemian fazowych (np. przejścia metal–izolator) w skali nanometrycznej. Ponadto pozwala na ilościowe wyznaczanie złożonych stałych optycznych (n, k) w badanym obszarze próbki.

LITERATURA I ZASTOSOWANIE NANO-OBRAZOWANIA I -SPEKTROSKOPII W PODCZERWIENI
[1] Biomateriały
[2] Polimery
[3] Materiały nieorganiczne
[4] Materiały 2D