В Национальном Институте Стандартов и Технологии (National Institute of Standards and Technology – NIST) США разработан новый уникальный метод, который использует сравнительно недорогой оптический микроскоп для быстрого и дешевого анализа наноразмеров, имея при этом нанометровую разрешающую способность. Новый метод заключается в получении высококачественных изображений нанообъектов методом компьютерной обработки суперпозиции изображений, полученных при различной фокусировке микроскопа. Авторы назвали метод– «Through-focus Scanning Optical Microscope (TSOM) imaging». Метод настолько прост и недорог, что его приложения в нанопроизводстве, производстве компьютерных чипов и биотехнологии совершенно очевидны.

Оптические микроскопы мало применяются для измерений в нанодиапазоне (менее 100 нм), поскольку имеют существенные дифракционные ограничения. Оптические системы не позволяют получить контрастное изображение объекта, размеры которого меньше длины волны света, используемого в оптическом тракте (видимое излучение занимает полосу электромагнитного спектра в диапазоне длин волн примерно от 380 нм до 750 нм). Исследователи NIST во главе с Равикираном Аттота (Ravikiran Attota) предложили оригинальный способ обойти эти ограничения (материал опубликован: R. Attota, T. A. Germer, and R. M. Silver, «Through-focus scanning-optical-microscope imaging method for nanoscale dimensional analysis,» Opt. Lett. 33, 1990–1992, 2008).

Метод, предложенный разработчиками, работает путем сопоставления серии неконтрастных изображений, зарегистрированных при различной фокусировке оптического микроскопа. Процесс получения конечного изображения нанообъекта заключается в следующем. Поскольку очевидно, что резкое изображение нанообъекта в оптическом излучении получить невозможно, бессмысленно раз за разом наводить микроскоп на объект, пытаясь получить более или менее контрастную картину. По методу группы Аттота регистрируется несколько изображений объекта вблизи фокальной точки объектива -с недофокусировкой или перефокусировкой объектива микроскопа (эти изображения, разумеется, получаются размытыми). Серия изображений накладывается одно на другое, анализируется и обрабатывается по специальной программе, созданной Аттота, с целью существенного повышения качества финальной картины.

Схема формирования изображения с использованием оптического микроскопа. Несколько изображений 60-нм частицы золота (показана красным) получены при различной фокусировке микроскопа и наложены друг на друга с последующей копьютерной обрабокой

Авторы предполагают, что их метод пригоден для использования во множестве приложений. Сами они проверили метод TSOM в двух типах измерений. Первый из них – сравнение наноразмерных элементов интегральных контуров на кремниевых подложках (программа «вычитает» одно изображение из другого, что существенно повышает разрешение при измерениях толщины и ширины элементов, а также их угловых параметров). Во всех случаях разница генерирует четко различимый сигнал. Метод показал разрешающую способность в 3 нм при измерении разницы в толщине линий.

Во втором эксперименте была произведена теоретическая оценка границ применимости метода при изучении наночастиц в медицине. Медики изучают применение наночастиц золота для доставки современных медикаментов в определенные точки человеческого организма. Критичным параметром является размер частиц. Для селекции наночастиц может быть получено TSOM – изображение наночастиц золота, которое, в свою очередь, будет сравнено с библиотекой изображений, созданных компьютерным симулятором. При этом, программа определит наилучшее совпадение и выберет наночастицу оптимального размера и формы.

Изображение наночастицы золота, полученное с помощью компьютерной программы

Устройство системы для получения изображений по методу TSOM достаточно простое – требуется исследовательский оптический микроскоп, камера и подвижный стол для микроскопа, который может перемещаться на определенные расстояния с фиксированным шагом. Такой набор устройств стоит менее 50 тыс. долларов, что намного дешевле, чем электронные или зондирующие микроскопы, в настоящее время используемые для измерений в нанодиапазоне.

Евгений Биргер