走査型近接場光顕微鏡

走査型近接場光顕微鏡（SNOM）

走査型近接場光顕微鏡（そうさがたきんせつばこうけんびきょう、英語: scanning near field optical microscopy; SNOM）は、近接場光という特殊な光を利用して対象物の表面を走査するタイプの顕微鏡です。NSOM（Near field scanning optical microscopy）という名称でも知られています。細い探針（プローブ）を用いて試料表面をなぞるように動かすという点では、走査型トンネル顕微鏡（STM）や原子間力顕微鏡（AFM）と共通しており、SNOMはこれらの走査型プローブ顕微鏡（SPM）の一種に分類されます。

原理

従来の光学顕微鏡の分解能は、長年にわたりレンズなどの光学部品の加工精度に依存していました。しかし、部品精度が向上した現在では、光の回折限界、すなわち使用する光の波長の約半分という本質的な物理的制約によって、分解能が制限されています。

この回折限界を超えるためにSNOMが利用するのが「近接場光」という概念です。光がある物体の波長よりも小さな構造に作用すると、その構造の原子には電気的な偏り（電気双極子）が生じます。この双極子から発生する電磁界は振動していますが、その大部分は発生源のごく近く（物体の直径程度）で急速に減衰し、遠くへはほとんど伝わりません。これが「近接場」と呼ばれる領域に存在する電磁界です。もし、この近接場の中に別の微小な物体（散乱体）を置くと、その散乱体が近接場を捕捉し、再び遠くまで伝播する通常の光に変換します。この再放出された光が「近接場光」、あるいはエバネッセント光として知られるものです。

同様の原理で、光が波長よりもはるかに小さな開口部を通過する際にも、その開口部の直近に近接場が発生し、これが試料に作用して近接場光を生じさせます。この近接場光を検出することで、光の波長による制約を受けずに光学的な情報を取得することが可能になり、従来の光学分解能の限界を超えた観察が実現します。ただし、近接場はその名の通り発生源のごく近傍でしか存在しないため、近接場光を発生させる開口部やプローブ先端を観察対象の試料表面にごく近い位置に配置する必要があります。

SNOMでは、この近接場光を発生させつつ、探針または試料を二次元的に走査します。試料によって散乱または透過・反射された近接場光や、試料から発生する蛍光などの強度を検出し、その位置情報と組み合わせることで、試料表面の二次元的な光学像を得ることができます。検出は、試料表面側から行う「反射型」と、試料の裏側から行う「透過型」があります。探針として、微小な開口部を持つもの以外に、絞った光を当てた細い棒状の先端や、光の反射面で発生する近接場を利用する方式も派生的に存在します。

特徴

利点

SNOMは光学顕微鏡であるため、真空環境を必要とせず、試料表面への金属薄膜蒸着などの特別な前処理も不要です。これにより、大気圧下で様々な試料を非破壊で観察することが可能です。特に、電気を通さない不導体材料の観察に適しています。

欠点

試料表面を走査して画像を取得するため、リアルタイムでの動的な観察には不向きです。また、分解能においては、走査型トンネル顕微鏡（STM）が達成する原子レベルの分解能には通常及びません。

歴史

近接場光を利用して回折限界を超える顕微鏡のアイデアは、1928年にイギリスの科学者E. H. Syngeによって提唱されていました。しかし、当時の技術では実現が困難であり、この構想は長らく忘れられていました。1972年にマイクロ波領域での実験的な検証が行われ、その後、1984年にDieter Pohlらが発表した論文をきっかけに、光学領域での実用化に向けた開発が本格化しました。1985年には、従来の光学測定の限界を大幅に超える20ナノメートルという高い空間分解能が達成され、SNOMの原型が確立されました。初期にはマイクロピペットを加工して用いる方法が主流でしたが、後に先端を細く絞った光ファイバーを用いる方式が開発され、現在の一般的な「照射モードSNOM」につながっています。

測定方式と発展型

SNOMの主な測定方式は、近接場光の発生と検出の役割分担によって大きく二つに分けられます。

照射モード (illumination mode): プローブ先端にごく小さな開口部を設け、そこから近接場光を試料表面に照射します。試料表面との相互作用によって散乱・反射・透過した光を遠方で検出することで、試料の光学情報を得ます。
集光モード (collection mode): 試料に直接光を照射して近接場光を発生させ、その近接場光をプローブ先端で効率的に集光して検出します。この方式でも試料の光物性を調べることができます。

また、検出する光の方向によって、試料表面からの反射光を検出する「反射型」と、試料を透過した光を検出する「透過型」に分けられます。

SNOMの原理を応用した様々な顕微鏡も開発されています。代表的なものとして以下が挙げられます。

フォトン走査型トンネル顕微鏡（PSTM）: プリズムを用いた全反射 configurationで生じるエバネッセント場（近接場光）を試料に照射し、プローブで走査して検出します。
無開口近接場顕微鏡（Apertureless SNOM）: AFMの探針など、鋭利な金属製プローブの先端に光を集中させ、その先端を近接場光の発生源として利用します。高い空間分解能が得られやすい方式です。
* 近接場磁気光学顕微鏡（MO-SNOM）: 磁気光学効果（例: カー効果）を利用して、試料の磁気的な性質を近接場光を用いて空間的にマッピングする顕微鏡です。光学像と同時に表面形状も取得できるものがあります。

これらの発展型以外にも、SPM技術や他の先端技術との組み合わせによる多様な改良機種が存在します。

SNOMは、従来の光学顕微鏡では見ることのできなかったナノスケールの光学現象や材料の特性を非破壊で評価できる強力なツールとして、材料科学、生命科学、ナノフォトニクスなど幅広い分野で活用されています。

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