|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Мікроскоп на поверхневих плазмоні. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Зазвичай, за допомогою видимого світла спостерігати об'єкти ангстремної товщини не можна. Однак існує мікроскоп, що дозволяє це зробити. Межа роздільної здатності мікроскопа встановлює явище дифракції світла. Дифракція – обгинання хвилями перешкод. У більш широкому значенні - будь-яке відхилення під час поширення хвиль від законів геометричної оптики. У випадку з мікроскопом дифракція визначає ту мінімальну відстань між двома точками, що світяться, при якому ми їх побачили б у мікроскоп як дві, а не одну. Після невеликих обчислень виявляється, що мінімальна відстань, на якій можуть знаходитися дві точки, що світяться, буде близько половини довжини хвилі світла, на якій вони випромінюють. Так, для випромінювання на довжині хвилі 630 нм можна розраховувати на роздільну здатність об'єктів розміром не більше 315 нм. Але явище дифракції можна поглянути з іншого боку. Відомо, що світло – це потік фотонів, квантових частинок. Саме квантова механіка допоможе нам зрозуміти, як отримати дозвіл, що набагато перевершує дифракційну межу. Справа в тому, що співвідношення невизначеності пов'язує два вектори імпульс частки та її радіус-вектор. Як пише С.І. Валянський у "Соросовському освітньому журналі": "Тепер якщо задатися невизначеністю у визначенні імпульсу, то тим самим ми задали ту невизначеність у визначення координати квантового об'єкта, зменшити яку ми вже не можемо. Це задає нам деякий обсяг у координатному просторі. Нехай це буде деякий кубик відомого об'єму, але ніхто не забороняє нам його деформувати, не змінюючи його об'єм і не порушуючи тим самим загальне співвідношення невизначеності, а деформуємо цей кубик у якийсь тонкий млинець, що має велику площу, але маленьку товщину. Якщо квант буде рухатися в напрямку, паралельному площині цього млинця, то через велику невизначеність його локалізації в площині млинця можна отримати досить велику визначеність у проекції імпульсу на цю площину. Разом з тим, ми отримуємо досить високу локалізацію кванта в перпендикулярному до цієї площині напрямку, але величезну невизначеність у проекції імпульсу на цей напрямок. Таким чином, точність визначення напрямку руху кванта в площині паралельної площині млинця безпосередньо пов'язана з товщиною цього млинця. Інакше кажучи, чим більш тонкий млинець розкачаємо наш об'єм, тим з більшою точністю ми зможемо вимірювати напрямок руху кванта в площині млинця. Отже, ми можемо точно визначати одну з проекцій радіус-вектора і одну з проекцій імпульсу. Тільки ці проекції взаємно перпендикулярні. Але як теорію реалізувати практично? Адже, щоб працювати з великими потоками квантів, локалізованих у тонкому шарі, треба, щоб вони досить добре поширювалися в цьому тонкому шарі, оскільки ми хочемо зробити область їхньої локалізації в напрямку, перпендикулярному до їх руху, нанометрових розмірів.
Ось тут на допомогу приходять плазмони. Плазмони - це квазічастинки (кванти), що виникають у результаті коливань електронів провідності щодо іонів. Для твердих тіл, наприклад металів, це коливання електронів провідності щодо іонного кістяка кристала. Квазичастинками вони названі для того, щоб відрізнити від справжніх квантових частинок - електронів, протонів, нейтронів і т.д. Їхня відмінність полягає в тому, що якщо нагріти метал так, щоб він перетворився на газ атомів, що вихідно становили його, то там ніяких плазмонів не буде . Вони існують лише тоді, коли є метал як ціле.
Нас надалі цікавитимуть кванти електромагнітного поля, пов'язані з осциляціями поверхневих зарядів за відсутності збудливого поля. За аналогією із звичайними плазмонами вводять квазічастинки – поверхневі плазмони (ПП). Область їхньої локалізації знаходиться поблизу поверхні розділу, де локалізовані поверхневі заряди. У 1902 році американський оптик Роберт Вуд виявив зміну інтенсивності пучка світла, що дифрагує на ґратах. Це був перший експериментальний спостереження поверхневих плазмонів в оптичному діапазоні. Але зрозуміло це було лише 1941 року, коли італійському фізику-теоретику Уго Фано вдалося пояснити аномалії Вуда. І лише наприкінці 1960-х років Андреас Отто застосував ідеї, розвинені у роботах німецького фізика, до електромагнітних хвиль оптичного діапазону. Він сформулював умови, за яких можна збуджувати ПП-хвилі на гладких поверхнях, і вказав метод їхнього збудження в оптичному діапазоні довжин хвиль. Тим самим було відкрито шлях до експериментального дослідження поверхневих плазмонів в оптичному діапазоні. У 1971 році, через три роки після виходу роботи Отто, Ервін Кречманн запропонував ще одну схему порушення поверхневих плазмонів в оптичному діапазоні. У геометрії Кречманна тонка плівка, що проводить, на поверхні якої збуджуються поверхневі плазмони, наноситься прямо на призму, за допомогою якої вони збуджуються. У 1988 році Вольфганг Кноль та Бенно Ротенхойслер запропонували використовувати поверхневі плазмони для мікроскопії. Вони продемонстрували робочу модель мікроскопа, у якому поверхневі плазмони порушувалися за схемою Кречманна, на дослідження спеціально зробленої сітки з відомими параметрами. Результати виявилися настільки вражаючими, що невдовзі цей новий прилад став застосовуватися у фізиці, хімії, біології та техніці. Багато дослідників звернулися до цього приладу через простоту його конструкції та високу роздільну здатність.
В основу конструкції поверхнево-плазмонного мікроскопа покладено схему збудження поверхневих плазмонів за методом Кречманна. С.І. Валянський: "На гіпотенузну грань прямокутної трикутної призми наноситься тонка металева плівка. Її висвітлюють з боку призми монохроматичним лінійно поляризованим світлом з розбіжністю на порядок менше, ніж півширина резонансної кривої для даної плівки. Причому вектор поляризації лежить у площині падіння світла - так званий поляризоване світло Відображене від плівки світло потрапляє на фотоматрицю, сигнал з якої обробляється комп'ютером Ми пам'ятаємо, що дозвіл у площині плівки у нас кілька мікрон, тому між призмою і фотоматрицею на шляху світла ставиться телескоп, що розширює пучок так, щоб світло, що йде з мікронного майданчика плівки захоплював кілька елементів фотоматриці. Це одна з найпростіших схем поверхнево-плазмонного мікроскопа, але далеко не єдина. Існує велика кількість їх модифікацій, зручних на вирішення конкретних завдань. Як працює поверхнево-плазмонний мікроскоп? Умови резонансного збудження поверхневих плазмонів залежать не тільки від властивостей металевої плівки, на поверхні якої вони збуджуються, а й від діелектричних властивостей середовища, з яким ця плівка межує. Будь-яку тонку плівку на поверхні металу можна подати як локальну зміну діелектричних властивостей зовнішнього середовища. А це відразу позначається на умови резонансного збудження тут поверхневих плазмонів. Інакше висловлюючись, резонансна крива зміщується тут щодо кривою для чистої плівки в область великих кутів. Значить, якщо налаштувати наш мікроскоп на кут, що відповідає оптимальному збудженню поверхневих плазмонів для чистої металевої плівки, то в тих місцях, де знаходитиметься вимірюваний об'єкт, інтенсивність відбитого світла буде більшою, і тим більшою, чим товстіший цей фрагмент». Мікроскоп реагує не так на товщину, але в зміни параметра, що залежить від діелектричної проникності і товщини вимірюваного об'єкта. Головний елемент всього приладу – тонка металева плівка. Від правильного вибору її товщини та якості залежить дозвіл всього пристрою. Порушення поверхневих плазмонів відбувається не при якомусь певному куті падіння, а при наборі кутів. Якщо згадати, що набір кутів відповідає набору імпульсів фотонів, все стане зрозумілим. Причина цього – кінцевий час життя поверхневих плазмонів. Роздільна здатність мікроскопа буде тим краще, чим на більшу відстань зможе поширитися ПП. Якщо швидкість поширення його фіксована, то за менший час життя він пошириться на меншу відстань. І ясно, що через поглинання та розсіювання на шорсткості металевої плівки довжина пробігу може тільки зменшитися. Однак не тільки поверхня плівки є відповідальною за час життя поверхневих плазмонів, але і її об'ємні властивості. Діелектрична проникність металу має як дійсну, так і уявну частину. Через наявність останньої відбувається поглинання електромагнітної енергії та зменшення часу життя поверхневих плазмонів. Тому для збільшення роздільної здатності мікроскопа треба брати метал з мінімальною величиною уявної діелектричної проникності. Таким металом є срібло. Несприятливим аспектом є те, що срібна плівка швидко деградує, окислюючись приблизно за тиждень. Але це труднощі вдалося подолати, розробивши метод захисту поверхні срібної плівки. Якщо металева плівка буде тонкою, то близька межа призми призведе до того, що поверхневим плазмонам буде вигідніше розпастись і перетворитися на об'ємне випромінювання, ніж залишатися поверхневим збудженням, тобто час його життя буде невеликим. З тієї ж причини, частка енергії, яка йде на генерацію поверхневих плазмонів, буде невелика. Очевидно, якщо товщина металевої плівки буде занадто великою, то практично вся енергія електромагнітної хвилі, що збуджує, буде поглинатися в обсязі плівки, не доходячи до її поверхні. І плівка працюватиме як дзеркало. Звісно, є оптимальна товщина, яку треба визначити. Даний ефект досить широко застосовується як метод дослідження різних перехідних шарів та тонких плівок. Це основна сфера його застосування. Мікроскоп і конструювали спочатку для спостереження за організацією мономолекулярних орієнтованих плівок в момент формування на поверхні рідини і при переносі їх на тверді підкладки. Інша сфера застосування - біологія, пряме спостереження біологічних об'єктів. У цьому випадку важливо не стільки висока роздільна здатність мікроскопа за товщиною, скільки висока роздільна здатність об'єктів, внутрішня структура яких визначається елементами з малими змінами в діелектричній проникності. Зазвичай, біологи для спостереження своїх об'єктів вводять контрастну рідину, після чого їх можна спостерігати. Плазмовий мікроскоп дозволяє спостерігати їх без цих хитрощів. За допомогою такого мікроскопа можна, наприклад, розрізнити у водному середовищі межу між цитоплазмою та клітинною стінкою. Мікроскоп - сенсор на основі ПП-резонансу - можна використовувати для зняття кінетики протікання хімічних та біохімічних реакцій, контролювати розмір комплексів, що утворюються на поверхні. Автор: Муський С.А.
▪ Целулоїд
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Кухонну губку потрібно міняти щотижня ▪ Вінчестер Hitachi Deskstar 7K2000 ▪ Дрібні комахи не намагаються ідеально мімікрувати ▪ Мініатюрні датчики сили Honeywell FMA
▪ розділ сайту Автомобіль. Добірка статей ▪ стаття Одобрям-с! Крилатий вислів ▪ стаття Що таке хмара? Детальна відповідь ▪ стаття Основні типи документів з охорони праці ▪ стаття Велосипедний спідометр. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page