โครงการวิจัยสแกนนิงโพรบไมโครสโกปีเพื่องานวิจัยด้าน ออปติกส์สนามระยะใกล้

5 พฤศจิกายน 2562

 

1.สแกนนิงโพรบไมโครสโกปี

 

       ความละเอียด (resolution) ของระบบถ่ายภาพด้วยแสงโดยทั่วไป ซึ่งมีอุปกรณ์รับแสงอยู่ห่างจากวัตถุเกินกว่าระดับความยาวคลื่นแสง หรือที่เรียกว่า ระบบถ่ายภาพแบบฟาร์ฟีลด์ (far-field imaging system) จะมีขีดจำกัดเนื่องจากปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนของแสง โดยขีดจำกัดดังกล่าว ได้ศึกษาโดยแอบเบ (Abbe) [1] และเรย์ลีห์ (Rayleigh) [2,3] และอธิบายด้วยระยะห่างระหว่างจุด 2 จุด (r) ที่ระบบทัศนูปกรณ์ยังคงสามารถจำแนกภาพได้ซึ่งขึ้นอยู่กับค่าความยาวคลื่นแสง λ และค่านิวเมอริคัลแอพเพอเชอร์ (numerical aperture, NA) ซึ่งเป็นค่าที่แสดงถึงความสามารถในการรับขนาดโคนของลำแสงที่เข้าสู่ระบบทัศนูปกรณ์ดังสมการ

 

 

       ดังนั้นจึงอาจกล่าวโดยประมาณได้ว่าความละเอียดสูงสุดของระบบกล้องจุลทรรรศน์แบบฟาร์ฟีลด์โดยทั่วไปนั้น มีความสามารถในการจำแนกได้ไม่เกินครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น แม้จะใช้เทคนิคต่าง ๆ ในการพัฒนาความละเอียดของการถ่ายภาพ ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มค่านิวเมอริคัลแอพเพอเชอร์โดยการเพิ่มขนาดของเลนส์หรือกรณีเลนส์ใกล้วัตถุในตัวกลางน้ำมัน (oil-immersion objective) หรือการเปลี่ยนไปใช้ความยาวคลื่นต่ำกว่าความยาวคลื่นแสง เช่นในกรณีของอิเล็กตรอนไมโครสโกปี หรืออัลตราไวโอเลตไมโครสโกปี เป็นต้น

 

       เนื่องด้วยแสงที่กระเจิงจากวัตถุประกอบด้วยส่วนที่มีความถี่เชิงปริภูมิต่ำ (low spatial frequency) ซึ่งเป็นส่วนของคลื่นแสงที่เคลื่อนที่ไปยังระบบทัศนอุปกรณ์โดยทั่วไป รวมทั้งไมโครสโกปีแบบดั้งเดิม (conventional microscopy) ขณะที่ส่วนของคลื่นแสงที่มีความถี่เชิงปริภูมิสูง (high spatial frequency) ซึ่งสัมพันธ์กับความละเอียดสูงของภาพที่ไม่ถูกจำกัดด้วยการเลี้ยวเบนของแสงคือส่วนของคลื่นแสงที่ไม่เคลื่อนที่ (non-propagating field) ซึ่งจะอยู่บริเวณผิวของวัตถุ [4] การที่จะสามารถตรวจวัดคลื่นแสงส่วนนี้ได้จำเป็นต้องใช้หัววัดหรือที่เรียกว่าโพรบ (probe) ที่มีขนาดระดับนาโนเมตร และตำแหน่งของโพรบจะต้องอยู่ห่างพื้นผิววัสดุในระยะที่ต่ำกว่าความยาวคลื่น (subwavelength region) หรือในช่วงระยะประมาณ 100 นาโนเมตร ซึ่งการที่ต้องรักษาระยะห่างระหว่างโพรบกับพื้นผิววัสดุในระดับดังกล่าวนี้ระบบควบคุมความสูงของโพรบจึงเป็นสิ่งสำคัญมาก ระบบดังกล่าวจำเป็นต้องปรับระดับความสูงของโพรบตามภูมิลักษณะของพื้นผิววัตถุขณะที่โพรบกำลังเคลื่อนตัวไปยังตำแหน่งต่าง ๆ ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้ตามมาคือภาพภูมิลักษณะของพื้นผิวของวัตถุ

 

       ด้วยเหตุนี้งานวิจัยทางด้านนาโนเทคโนโลยีจึงจำเป็นต้องมีเครื่องมือวิเคราะห์พื้นผิววัสดุที่มีระดับความละเอียดระดับต่ำกว่าความยาวคลื่นแสง จึงนำไปสู่การพัฒนาสแกนนิงโพรบไมโครสโกปี (Scanning Probe Microscopy, SPM) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีของกล้องจุลทรรศน์ที่สามารถเก็บรายละเอียดข้อมูลของพื้นผิวในระดับนาโนเมตร ไม่ว่าจะเป็นข้อมูลเชิงแสง (optical information) หรือข้อมูลภูมิลักษณะ (topographical information) โดยอาศัยหลักการนำโพรบปลายแหลมเคลื่อนตัวไปยังตำแหน่งต่าง ๆ บนพื้นผิววัสดุเพื่อเก็บข้อมูลในแต่ละจุดของพื้นผิว โดยทั่วไปการควบคุมความสูงของโพรบ จะอาศัยอันตรกิริยาระหว่างโพรบกับพื้นผิววัสดุที่แปรเปลี่ยนตามระยะห่างระหว่างโพรบกับพื้นผิว อาทิควบคุมความสูงของโพรบโดยอาศัยการวัดกระแสที่ผ่านโพรบโลหะจากปรากฏการณ์อิเล็กตรอนทันเนลลิง (electron tunneling) ซึ่งเป็นเทคนิคใช้ในสแกนนิงทันเนลลิงไมโครสโกปี (STM) โดยปริมาณของกระแสเพิ่มตามการลดลงของระยะห่างระหว่างโพรบและผิววัสดุ  ส่วนในอะตอมมิกฟอร์ซไมโครสโกปี (AFM) ที่อาศัยแรงดึงดูดแวนเดอวาลล์ (Van der Waals forces) และแรงผลักเพาลี(Pauli forces) ซึ่งเป็นแรงอันตรกิริยาระหว่างโพรบกับพื้นผิววัสดุ [5] โดยขนาดของแรงเพิ่มขึ้นตามระยะห่างระหว่างโพรบกับพื้นผิววัสดุอันส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความถี่ธรรมชาติและเฟสของการสั่นของโพรบ ดังนั้นโดยการตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงการสั่นของโพรบ และอาศัยระบบอิเล็กทรอนิกส์ควบคุมแบบป้อนกลับ (feedback control system) นำไปสู่ระบบการควบคุมระดับความสูงของโพรบจากพื้นผิววัสดุที่เรียกว่า ระบบป้อนกลับด้วยแรงเฉือน (shear force feedback system) [6] ระบบดังกล่าวจะปรับระดับความสูงของโพรบหรือระดับความสูงของแท่นวางวัสดุที่ตรวจวัด เพื่อคงรักษาระยะห่างระหว่างโพรบกับพื้นผิววัสดุ  ดังนั้นจึงนำไปสู่การให้ภาพทางภูมิลักษณะ (topographical image) ของพื้นผิววัสดุซึ่งเทคนิคเดียวกันนี้ได้ใช้ในสแกนนิงเนียร์ฟีลด์ไมโครสโกปี (SNOM) หากแต่โพรบที่ใช้ในเครื่อง AFM เป็นโพรบโลหะ ขณะที่ในกรณีของ SNOM โพรบคือเส้นใยนำแสงที่มีปลายแหลมหรือที่เรียกว่า สนอมทิป (SNOM tip) ดังนั้นสำหรับ SNOM นอกจากจะให้ภาพทางภูมิลักษณะแล้ว ยังให้ภาพหรือข้อมูลเชิงแสงในแต่ละตำแหน่งบนพื้นผิวด้วย ดังนั้นการสร้างระบบ SNOM เพื่องานวิจัยทางด้านนาโนเทคโนโลยีจึงต้องเริ่มต้นจากการพัฒนาในส่วนของการได้มาซึ่งภาพภูมิลักษณะของพื้นผิววัสดุอันจำเป็นต้องอาศัยการพัฒนาองค์ความรู้ในการสร้างระบบการสั่นของโพรบ การตรวจจับการเปลี่ยนแปลงการสั่นของโพรบอันเนื่องจากแรงปฏิกิริยาระหว่างโพรบกับพื้นผิว ระบบป้อนกลับสำหรับแรงเฉือนเพื่อควบคุมระยะห่างของโพรบและพื้นผิว การประมวลผลข้อมูลเพื่อสร้างภาพภูมิลักษณะของพื้นผิว และเมื่อพัฒนาระบบการถ่ายภาพภูมิลักษณะดังล่าวนี้ได้แล้ว จึงสามารถทำการปรับเปลี่ยนลักษณะโพรบ รวมทั้งรายละเอียดของระบบย่อยที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น เพื่อสอดรับกับแต่ละจุดประสงค์ของงานวิจัยทางด้านนาโนเทคโนโลยีนั้น ๆ ต่อไปได้

 

2.งานต้นแบบที่ได้รับการพัฒนาขึ้นในโครงการวิจัย

 

2.1 โพรบส้อมเสียงควอตซ์

 

       การตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดของการสั่นของโพรบเพื่อควบคุมระดับความสูงของโพรบนั้นสามารถกระทำได้ด้วยเทคนิคเชิงแสง อาทิการตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของความเข้มแสงที่ผ่านโพรบ [7] เทคนิคดิฟเฟอเรนเชียลอินเตอร์เฟอโรเมทรี (differential interferometry) [6] ส่วนอีกเทคนิคหนึ่งที่เป็นที่นิยมกันอย่างแพร่หลายและเป็นลักษณะโพรบที่ใช้ในงานวิจัยนี้ คือการนำโพรบติดกับส้อมเสียง (tuning fork) [8,9] โดยส้อมเสียงที่ว่านี้เป็นคริสตัลออสซิลเลเตอร์(crystal oscillator) ของนาฬิกาควอทซ์ทั่วไปและนำโพรบติดขาข้างหนึ่งของส้อมเสียง โดยการป้อนสัญญาณไฟฟ้าที่ความถี่มูลฐานเพื่อขับให้ส้อมเสียงเกิดการสั่นตามแนวขนานกับพื้นผิว โดยระบบส้อมเสียง-โพรบนี้เทียบได้กับระบบการสั่นแบบหน่วง (damped oscillating system) ที่มีคุณลักษณะการสั่นของระบบดังกล่าว อธิบายด้วยพารามิเตอร์คิวแฟคเตอร์(Q-factor) ของผลตอบสนองต่อความถี่ของส้อมเสียงที่นิยามโดยอัตราส่วนระหว่างความถี่เรโซแนนซ์ f0 ต่อความกว้างของช่วงความถี่ที่ระบบตอบสนอง Δf

 

 

       คิวแฟคเตอร์ที่สูงจะมีความไวต่อการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดของการสั่น แต่ในขณะเดียวกันจะช้าในการตอบสนองการเปลี่ยนแปลงการสั่น ซึ่งจะมีผลต่อความเร็วในการเคลื่อนย้ายโพรบไปยังตำแหน่งต่าง ๆ หรืออัตราเร็วในการสแกน (scan speed) ของโพรบ  สำหรับความถี่เรโซแนนซ์ของส้อมเสียงของคริสตัลออสซิลเลเตอร์คือ 32.768 kHz และมีคิวแฟคเตอร์ที่ 6400 ในสุญญากาศ และ 7500 ในอากาศ [8] แต่เมื่อทำการติดโพรบ ทั้งค่าความถี่เรโซแนนซ์และคิวแฟคเตอร์จะเปลี่ยนแปลง โดยคิวแฟคเตอร์อาจจะลดลงในระดับร้อยถึงพัน  คิวแฟคเตอร์ของระบบ SNOM โดยทั่วไปอยู่ที่ช่วง 300 – 1000 [10]

 

     

 

                                               (a)                                                                       (b)

 

รูปที่ 1 (a) โพรบส้อมเสียงควอตซ์ (b) ระบบวัดการตอบสนองเชิงความถี่ของโพรบส้อมเสียง

 

       รูปที่ 1 แสดงโพรบส้อมเสียงควอตซ์และระบบวัดการตอบสนองเชิงความถี่ของโพรบส้อมเสียงที่พัฒนาขึ้นในงานวิจัยนี้ โดยมีการทำงานแบบอัตโนมัติ  ควบคุมด้วยโปรแกรมในภาษาไพธอนที่พัฒนาขึ้นในโครงงานวิจัยนี้ ซึ่งสามารถแสดงผลการวัดและค่าคิวแฟคเตอร์ แสดงในรูปที่ 2

 

     

 

(a)                                                                                   (b)

 

รูปที่ 2 (a) โปรแกรมควบคุมการวัดการตอบสนองความถี่ของโพรบส้อมเสียงที่พัฒนาขึ้นในภาษาไพธอน (b) ผลการตอบสนองความถี่ของโพรบสัอมเสียงที่วัดได้จากโปรแกรมดังกล่าว  ซึ่งพร้อมแสดงคิวแฟคเตอร์ของโพรบส้อมเสียง

 

2.2 ระบบควบคุมความสูงของโพรบ

 

       ส้อมเสียงที่ใช้มีคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริก ทำหน้าที่เป็นทรานดิวเซอร์ในตัว  ให้สัญญาไฟฟ้าของการสั่นแก่ระบบควบคุมความสูงของโพรบ  ดังแสดงในรูปที่ 3

 

 

รูปที่ 3 ระบบควบคุมความสูงของโพรบ

 

       ระบบควบคุมความสูงของโพรบประกอบด้วยล็อกอินแอมพลิไฟเออร์ (Lock-in Amplifier, LIA) ซึ่งรับสัญญาณไฟฟ้าของการสั่นจากส้อมเสียงที่ได้รับการขยายสัญญาณเบื้องต้นก่อนเข้าสู่ล็อกอินแอมพลิไฟเออร์  ซึ่งล็อกอินแอมพลิไฟเออร์จะทำการเทียบสัญญาณการสั่นกับสัญญาณอ้างอิง (reference signal) จากฟังก์ชันเจนเนอเรเตอร์ที่ป้อนให้กับโพรบส้อมเสียง เพื่อแยกขนาดและเฟสของสัญญาณการสั่นที่มีความถี่ตรงกับความถี่ที่ป้อนให้กับระบบโพรบส้อมเสียง สัญญาณผลลัพธ์ที่ได้จะถูกนำไปประมวลผลเพื่อปรับความสูงของโพรบและรักษาระยะห่างระหว่างโพรบและพื้นผิว ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้คือข้อมูลภูมิลักษณะพื้นผิวของตัวอย่างที่โพรบตรวจวัด

 

       รูปที่ 4 แสดงเครื่องล็อกอินแอมพลิไฟเออร์แบบพกพาที่พัฒนาขึ้นในโครงการวิจัยนี้ ซึ่งเมื่อทดสอบเปรียบเทียบผลการวัดกับเครื่องล็อกอินแอมพลิไฟเออร์เชิงพาณิชย์ SR860 ของบริษัท Stanford Research Systems ซึ่งผลการวัดสัญญาณจากโพรบส้อมเสียงจากเครื่องล็อกอินแอมพลิไฟเออร์ที่พัฒนาขึ้นนั้น สามารถวัดผลได้มีประสิทธิภาพเทียบเคียงกับเครื่องเชิงพาณิชย์

       

 

                                                         (a)                                                            (b)

 

 

(c)

 

รูปที่ 4 (a) เครื่องล็อกอินแอมพลิไฟเออร์ขนาดพกพาที่พัฒนาขึ้นในโครงการวิจัยนี้ (b) การทดสอบวัดสัญญาณจากโพรบส้อมเสียง (c) เปรียบเทียบผลการตอบสนองเชิงความถี่ของโพรบส้อมเสียงที่วัดได้จากเครื่องล็อกอินแอมพลิไฟเออร์ทั้งสอง

 

เอกสารอ้างอิง

 

1. E. Abbe, “Beiträge zur theorie des mikroskops und der mikroskopischen wahrnehmung”, Archiv für mikroskopische Anatomie, 9(1):413–418.

2. J. W. Strutt, “Investigations in optics, with special reference to the spectroscope”, Philosophical Magazine, 8.

3. J. W. Strutt, “Investigations in optics, with special reference to the spectroscope”, Philosophical Magazine, 9: 40–55.

4. E. Wolf and M. Nieto-Vesperinas, “Analyticity of the angular spectrum amplitude of scattered fields and some of its consequences”, Journal of the Optical Society of America A, 2(6):886.

5. B. Birdi, “Scanning Probe Microscopes: Applications in Science and Technology”, CRC Press.

6. R. Toledo-Crow, P. C. Yang, Y. Chen, and M. Vaez-Iravani, “Near-field differential scanning optical microscope with atomic force regulation”, Applied Physics Letters, 60(24).

7. E. Betzig, J.S. Weiner, and P.L Finn, “Combined shear force and near-field scanning optical microscopy”, Applied Physics Letters, 60(20):2484–2486.

8. K. Karrai and R. D. Grober, “Piezoelectric tip-sample distance control for near field optical microscopes”, Applied Physics Letters, 66(14):1842–1844.

9. K. Karrai and R. D. Grober, “Piezo-electric tuning fork tip-sample distance control for near field optical microscopes”, Ultramicroscopy, 61(1):197–205.

10. G. Ctistis, E. H. Frater, S. R. Huisman, J. P. Korterik, J. L. Herek, W. L. Vos, and P. W. H. Pinkse, “Controlling the quality factor of a tuning-fork resonance between 9 and 300 k for scanning-probe microscopy”, Journal of Physics D: Applied Physics, 44(37):375502.

 

รายงานโดย

 

ดร. ทิพย์สุดา ไชยไพบูลย์วงศ์

ภาควิชาฟิสิกส์  คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี  มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ จ.ปทุมธานี - 12120

E-mail: tchaipib@tu.ac.th