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技术历史、技术、我们身边的事物
表面等离子体的显微镜。 发明和生产的历史
使用可见光通常不可能观察到埃厚的物体。 然而，有一个显微镜可以让你做到这一点。 显微镜分辨率的极限决定了光的衍射现象。 衍射是波在障碍物周围的弯曲。 在更广泛的意义上，波的传播与几何光学定律的任何偏差。 在显微镜的情况下，衍射决定了我们在显微镜中看到它们的两个发光点之间的最小距离，而不是一个。 经过一番计算，结果表明，两个发光点可以定位的最小距离大约是它们发出的光波长的一半。 因此，对于波长为 630 nm 的辐射，可以指望尺寸不大于 315 nm 的物体的分辨率。 但是衍射现象可以从另一个角度来看。 众所周知，光是光子流，量子粒子。 正是量子力学将帮助我们弄清楚如何获得远远超出衍射极限的分辨率。 事实上，不确定性关系连接了两个向量，一个粒子的动量和它的半径向量。 作为 S.I. Valyansky 在“索罗斯教育期刊”中：“现在，如果我们问自己动量定义中的不确定性，那么我们已经在量子物体坐标的定义中设置了这种不确定性，我们无法再减少它。这给了我们坐标空间中的某个体积。假设它是一个已知体积的立方体，但没有人禁止我们在不改变它的体积的情况下对其进行变形，从而违反一般的不确定性关系，我们将这个立方体变形为一些大面积的薄煎饼，但厚度很小。 如果量子在平行于这个薄饼平面的方向上移动，那么由于它在薄饼平面上的定位存在很大的不确定性，因此有可能在这个平面上的动量投影中获得足够大的确定性。 同时，我们在垂直于该平面的方向上获得了足够高的量子局域化，但在该方向上的动量投影存在巨大的不确定性。 因此，在平行于薄饼平面的平面内确定量子运动方向的准确性与薄饼的厚度直接相关。 换句话说，我们将体积卷成薄饼越薄，我们就能越准确地测量薄饼平面中的量子运动方向。 因此，事实证明，我们可以准确地确定半径矢量的投影之一和动量的投影之一。 只有这些投影是相互垂直的。 但如何将理论付诸实践呢？ 毕竟，为了处理局限在薄层中的大量量子通量，它们必须在这个薄层中很好地传播，因为我们想让它们的局部区域在垂直于它们的运动的方向上，纳米尺寸。
这就是等离子来救援的地方。 等离子体是由传导电子相对于离子的振动产生的准粒子（量子）。 对于诸如金属之类的固体，这些是传导电子相对于晶体的离子核心的振动。 它们被称为准粒子是为了将它们与真正的量子粒子（电子、质子、中子等）区分开来。它们的区别在于，如果你加热金属使其变成原始原子的气体，那么就会有将没有等离子。 它们仅在金属作为一个整体存在时才存在。
在下文中，我们将对在没有激发场的情况下与表面电荷振荡相关的电磁场量子感兴趣。 通过与普通等离子体的类比，引入了准粒子 - 表面等离子体（SP）。 它们的局部化区域位于界面附近，表面电荷被局部化。 1902 年，美国配镜师罗伯特伍德发现光栅衍射的光束强度发生了变化。 这是在光学范围内对表面等离子体的首次实验观察。 但这直到 1941 年才被理解，当时意大利理论物理学家雨果·法诺设法解释了伍德的反常现象。 仅在 1960 年代后期，安德烈亚斯·奥托 (Andreas Otto) 将这位德国物理学家的著作中开发的想法应用于光学范围内的电磁波。 他制定了可以在光滑表面上激发 PP 波的条件，并指出了一种在光学波长范围内激发它们的方法。 从而为光学范围内表面等离子体的实验研究开辟了道路。 1971 年，在 Otto 的工作发表三年后，Erwin Kretschmann 提出了另一种在光学范围内激发表面等离子体的方案。 在 Kretschmann 几何中，表面等离子激元被激发的薄导电膜直接应用于激发它们的棱镜。 1988 年，Wolfgang Knohl 和 Benno Rothenhäusler 提出将表面等离子体用于显微镜检查。 他们展示了一个显微镜的工作模型，其中表面等离子体激元根据 Kretschmann 方案被激发，以研究具有已知参数的特制网格。 结果令人印象深刻，很快这种新设备就开始用于物理、化学、生物学和技术领域。 由于其简单的设计和高分辨率，许多研究人员已转向该仪器。
表面等离子体显微镜的设计是基于 Kretschmann 方法激发表面等离子体的方案。 S.I. Valyansky：“薄金属膜沉积在矩形三角棱镜的斜边面上。它从棱镜侧面用单色线偏振光照射，发散度小于共振曲线的半宽对于这部电影。此外，偏振矢量位于光的入射平面 - 即所谓的 P 偏振光。从薄膜反射的光撞击光矩阵，信号由计算机处理。我们记得在胶片的平面上我们有几微米的分辨率。因此，在光路中的棱镜和光矩阵之间放置了一个望远镜，扩大了光束，使来自胶片微米区域的光线，捕捉了几个光矩阵的元素。 这是表面等离子显微镜的简单方案之一，但远不是唯一的。 它们的修改量很大，便于解决具体问题。 表面等离子显微镜如何工作？ 表面等离激元共振激发的条件不仅取决于其表面被激发的金属薄膜的性质，还取决于与该薄膜接壤的介质的介电性质。 金属表面上的任何薄膜都可以表示为环境介电特性的局部变化。 这会立即影响表面等离激元这个地方的共振激发条件。 换言之，共振曲线在该位置相对于纯膜的曲线移动到大角度区域。 这意味着如果我们将显微镜调整到与纯金属薄膜的表面等离子激元的最佳激发相对应的角度，那么在被测物体所在的那些地方，反射光的强度会更大，而加厚这个碎片。” 显微镜不响应厚度，而是响应取决于被测量物体的介电常数和厚度的参数变化。 整个器件的主要元件是一层薄金属膜。 整个设备的分辨率取决于其厚度和质量的正确选择。 表面等离子体激元的激发不是发生在某个入射角，而是发生在一组角度。 如果我们记得角度集对应于光子动量集，那么一切都会变得清晰。 其原因是表面等离子体的有限寿命。 显微镜的分辨率越好，PP 可以传播的时间越长。 如果它的传播速度是固定的，那么在较短的生命周期内，它将传播到较短的距离。 并且很明显，由于金属膜的粗糙度的吸收和散射，路径长度只能减少。 然而，不仅薄膜表面决定了表面等离子体的寿命，而且还决定了它的体积特性。 金属的介电常数既有实部又有虚部。 由于后者的存在，电磁能被吸收，因此，表面等离子体的寿命缩短。 因此，要提高显微镜的分辨率，就必须取虚介电常数最小值的金属。 银就是这样一种金属。 然而，不利的方面是银膜会迅速降解，大约一周就会氧化。 但是通过开发一种保护银膜表面的方法克服了这个困难。 如果金属膜很薄，那么棱镜的紧密边界将导致表面等离子激元衰变并转化为体辐射比保持表面激发更有利可图，也就是说，它的寿命会很短。 出于同样的原因，进入表面等离子体产生的能量部分将很小。 显然，如果金属膜的厚度太大，那么实际上激发电磁波的所有能量都会被膜的体积吸收，而不会到达其表面。 这部电影将像一面镜子一样运作。 自然地，存在必须确定的最佳厚度。 这种效应被广泛用作研究各种过渡层和薄膜的方法。 这是它的主要应用领域。 显微镜最初设计用于观察单分子取向薄膜在液体表面形成时和转移到固体基材期间的组织。 另一个应用领域是生物学，直接观察生物物体。 在这种情况下，重要的不是显微镜在厚度方面的高分辨率，而是其内部结构由介电常数变化很小的元素决定的物体的高分辨率。 通常，生物学家会注射对比液来观察他们的物体，然后才能观察到它们。 等离子显微镜可以让您在没有这些技巧的情况下观察它们。 例如，使用这种显微镜，可以区分水介质中细胞质和细胞壁之间的边界。 显微镜 - 基于 PP 共振的传感器 - 可用于记录化学和生化反应的动力学，以控制表面形成的复合物的大小。 作者：Musskiy S.A.
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