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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
표면 플라즈몬의 현미경. 발명과 생산의 역사
일반적으로 가시광선을 사용하여 옹스트롬 두께의 물체를 관찰하는 것은 불가능합니다. 그러나 이를 가능하게 하는 현미경이 있습니다. 현미경의 분해능의 한계는 빛의 회절 현상을 결정합니다. 회절은 장애물 주변의 파동이 휘는 현상입니다. 더 넓은 의미에서 기하학적 광학 법칙에서 파동 전파의 편차. 현미경의 경우 회절은 우리가 현미경으로 볼 수 있는 두 개의 광점 사이의 최소 거리를 결정합니다. 약간의 계산 후, 두 개의 발광점이 위치할 수 있는 최소 거리는 발광하는 빛의 파장의 절반 정도인 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 630nm 파장의 방사선의 경우 크기가 315nm 이하인 물체의 해상도를 기대할 수 있습니다. 그러나 회절 현상은 다른 각도에서 볼 수 있습니다. 빛은 광자의 흐름, 즉 양자 입자로 알려져 있습니다. 회절 한계를 훨씬 뛰어 넘는 해상도를 얻는 방법을 알아내는 데 도움이 되는 것은 양자 역학입니다. 사실 불확실성 관계는 입자의 운동량과 반지름 벡터라는 두 벡터를 연결합니다. S.I로 "Soros Educational Journal"의 Valyansky: "이제 운동량의 정의에 대한 불확실성을 스스로에게 묻는다면, 우리는 더 이상 줄일 수 없는 양자 물체의 좌표 정의에 그 불확실성을 설정했습니다. 이것은 우리에게 좌표 공간의 일부 체적 알려진 체적의 입방체라고 합시다. 그러나 체적을 변경하지 않고 일반 불확정성 관계를 위반하지 않고 변형하는 것을 아무도 금지하지 않으며 이 입방체를 넓은 면적의 얇은 팬케이크로 변형합니다. , 그러나 작은 두께. 양자가 이 팬케이크의 평면과 평행한 방향으로 움직이면 팬케이크 평면에서의 위치화의 큰 불확실성으로 인해 이 평면에 대한 운동량 투영에서 충분히 큰 확실성을 얻을 수 있습니다. 동시에 우리는 이 평면에 수직인 방향으로 양자가 충분히 높은 위치에 있음을 얻었지만 이 방향으로 운동량을 투영하는 데에는 큰 불확실성이 있습니다. 따라서 팬케이크 면과 평행한 면에서 양자 운동의 방향을 결정하는 정확도는 이 팬케이크의 두께와 직접적인 관련이 있습니다. 즉, 팬케이크의 부피를 얇아질수록 팬케이크 평면에서 양자 운동의 방향을 더 정확하게 측정할 수 있습니다. 따라서 반경 벡터의 투영 중 하나와 운동량 투영 중 하나를 정확하게 결정할 수 있음이 밝혀졌습니다. 이러한 투영만이 서로 수직입니다. 그러나 이론을 어떻게 실천에 옮길 수 있습니까? 결국, 얇은 층에 국한된 대량의 양자 플럭스로 작업하려면 이 얇은 층에서 매우 잘 전파되어야 합니다. 나노미터 치수.
여기에서 플라즈몬이 구출됩니다. 플라즈몬은 이온에 대한 전도 전자의 진동으로 인한 준 입자(양자)입니다. 금속과 같은 고체의 경우 결정의 이온 코어에 대한 전도 전자의 진동입니다. 그들은 전자, 양성자, 중성자 등의 실제 양자 입자와 구별하기 위해 준 입자라고합니다. 차이점은 금속을 가열하여 원래 원자의 가스로 변하면 거기에 있다는 사실에 있습니다. 플라즈몬이 아닐 것입니다. 금속이 전체적으로 존재할 때만 존재합니다.
다음에서 우리는 여기 필드가 없을 때 표면 전하의 진동과 관련된 전자기장 양자에 관심을 가질 것입니다. 일반 플라즈몬과 유사하게 표면 플라즈몬(SP)인 준입자가 도입됩니다. 국소화 영역은 표면 전하가 국소화되는 인터페이스 근처에 있습니다. 1902년 미국 안경사 로버트 우드(Robert Wood)는 격자에 의해 회절된 광선의 강도 변화를 발견했습니다. 이것은 광학 범위에서 표면 플라즈몬에 대한 최초의 실험적 관찰이었습니다. 그러나 이것은 이탈리아 이론 물리학자 Hugo Fano가 Wood의 변칙성을 설명할 수 있었던 1941년에야 이해되었습니다. 그리고 1960년대 후반에야 Andreas Otto는 독일 물리학자의 연구에서 개발된 아이디어를 광학 범위의 전자기파에 적용했습니다. 그는 매끄러운 표면에서 PP파를 여기할 수 있는 조건을 공식화하고 광학 파장 범위에서 여기 방법을 제시했습니다. 따라서 광학 범위에서 표면 플라즈몬의 실험적 연구를 위한 길이 열렸습니다. Otto의 연구가 발표된 지 1971년 후인 XNUMX년, Erwin Kretschmann은 광학 범위에서 표면 플라즈몬의 여기를 위한 또 다른 계획을 제안했습니다. Kretschmann 기하학에서 표면 플라즈몬이 여기되는 얇은 전도성 필름이 플라즈몬이 여기되는 프리즘에 직접 적용됩니다. 1988년 Wolfgang Knohl과 Benno Rothenhäusler는 현미경 검사를 위한 표면 플라즈몬의 사용을 제안했습니다. 그들은 Kretschmann 방식에 따라 표면 플라즈몬이 여기되는 현미경의 작동 모델을 시연하여 알려진 매개변수로 특수 제작된 격자를 연구했습니다. 결과는 매우 인상적이어서 곧 이 새로운 장치가 물리학, 화학, 생물학 및 기술 분야에서 사용되기 시작했습니다. 많은 연구자들이 단순한 디자인과 높은 분해능 때문에 이 장비를 선택했습니다.
표면 플라즈몬 현미경의 설계는 Kretschmann 방법에 의한 표면 플라즈몬의 여기 방식을 기반으로 합니다. 시. Valyansky: "박형 금속 필름이 직사각형 삼각형 프리즘의 빗변면에 증착됩니다. 프리즘 측면에서 공명 곡선의 절반 너비보다 작은 크기의 발산을 갖는 단색 선형 편광으로 조명됩니다. 이 필름의 경우. 게다가, 편광 벡터는 빛의 입사면에 위치합니다 - 소위 P-편광.필름에서 반사된 빛은 포토매트릭스에 부딪히며, 그 신호는 컴퓨터에 의해 처리됩니다.우리는 기억합니다. 필름 평면의 해상도는 몇 미크론입니다. 따라서 망원경은 광 경로의 프리즘과 포토 매트릭스 사이에 배치되어 빔을 확장하여 필름의 미크론 영역에서 나오는 빛이 여러 개를 포착하도록 합니다. 포토매트릭스의 요소. 이것은 표면 플라즈몬 현미경의 간단한 구조 중 하나이지만 유일한 것은 아닙니다. 특정 문제를 해결하는 데 편리한 수정 사항이 많이 있습니다. 표면 플라즈몬 현미경은 어떻게 작동합니까? 표면 플라즈몬의 공진 여기 조건은 표면 플라즈몬이 여기된 금속 필름의 특성뿐만 아니라 이 필름이 접하는 매질의 유전 특성에도 의존합니다. 금속 표면의 모든 박막은 환경 유전 특성의 국부적 변화로 나타낼 수 있습니다. 그리고 이것은 표면 플라즈몬의이 장소에서 공진 여기 상태에 즉시 영향을 미칩니다. 즉, 공명곡선은 순수한 필름에 대한 곡선에 비해 이 위치에서 큰 각도의 영역으로 이동합니다. 이것은 순수한 금속 필름에 대한 표면 플라즈몬의 최적 여기에 해당하는 각도로 현미경을 조정하면 측정 대상이 될 위치에서 반사광의 강도가 더 커지고 더 커집니다. 이 조각을 더 두껍게." 현미경은 두께에 반응하지 않고 측정 대상의 유전율과 두께에 따라 달라지는 매개변수의 변화에 반응합니다. 전체 장치의 주요 요소는 얇은 금속 필름입니다. 전체 장치의 해상도는 두께와 품질의 올바른 선택에 달려 있습니다. 표면 플라즈몬의 여기는 특정 입사각이 아니라 일련의 각도에서 발생합니다. 각도 집합이 광자 운동량 집합에 해당한다는 것을 기억하면 모든 것이 명확해집니다. 그 이유는 표면 플라즈몬의 유한한 수명 때문입니다. 현미경의 해상도가 더 좋을수록 PP가 전파될 수 있는 시간이 길어집니다. 전파 속도가 고정되어 있으면 수명이 짧아지면 더 짧은 거리로 퍼집니다. 그리고 금속막의 거칠기에 의한 흡수와 산란으로 인해 경로 길이가 줄어들 수 있음이 분명합니다. 그러나 필름 표면은 표면 플라즈몬의 수명뿐만 아니라 벌크 특성에도 영향을 미칩니다. 금속의 유전 상수에는 실수부와 허수부가 있습니다. 후자의 존재로 인해 전자기 에너지가 흡수되어 표면 플라즈몬의 수명이 감소합니다. 따라서 현미경의 분해능을 높이려면 가상 유전율이 최소값인 금속을 취해야 합니다. 은은 그런 금속이다. 그러나 바람직하지 않은 측면은 은막이 빠르게 분해되어 약 일주일 안에 산화된다는 것입니다. 그러나 이러한 어려움은 은막의 표면을 보호하는 방법을 개발함으로써 극복되었다. 금속 필름이 얇으면 프리즘의 가까운 경계는 표면 여기를 유지하는 것보다 표면 플라즈몬이 붕괴되어 벌크 방사선으로 변환하는 것이 더 유리하다는 사실, 즉 수명이 짧다는 사실로 이어질 것입니다. 같은 이유로 표면 플라즈몬의 생성에 들어가는 에너지의 비율은 작을 것입니다. 분명히 금속 필름의 두께가 너무 크면 거의 모든 여기 전자기파 에너지가 표면에 도달하지 않고 필름의 부피에 흡수됩니다. 그리고 영화는 거울처럼 작동합니다. 당연히 결정해야 하는 최적의 두께가 있습니다. 이 효과는 다양한 전이층 및 박막을 연구하는 방법으로 널리 사용됩니다. 이것은 주요 응용 분야입니다. 현미경은 원래 액체 표면에 형성되는 순간과 고체 기판으로 이동하는 동안 단분자 배향 필름의 조직을 관찰하도록 설계되었습니다. 적용의 또 다른 영역은 생물학, 생물학적 개체의 직접적인 관찰입니다. 이때 중요한 것은 두께 면에서 현미경의 고해상도가 아니라 유전율의 변화가 작은 요소에 의해 내부 구조가 결정되는 물체의 고해상도입니다. 일반적으로 생물학자는 대상을 관찰하기 위해 조영제를 주입한 후 관찰할 수 있습니다. 플라즈마 현미경을 사용하면 이러한 트릭 없이도 관찰할 수 있습니다. 그러한 현미경을 사용하여, 예를 들어 수성 매질에서 세포질과 세포벽 사이의 경계를 구별할 수 있습니다. PP 공명에 기반한 센서인 현미경은 화학 및 생화학 반응의 동역학을 기록하고 표면에 형성된 복합체의 크기를 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 저자: Musskiy S.A.
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