超極小サイズに閉じ込めた光によって物質表面を原子スケールで観察~散乱型近接場光顕微鏡で1ナノメートルの分解能を実現~

2025-07-17 分子科学研究所

超極小サイズに閉じ込めた光によって物質表面を原子スケールで観察~散乱型近接場光顕微鏡で1ナノメートルの分解能を実現~

マックス・プランク協会フリッツ・ハーバー研究所などの研究チーム(自然科学研究機構分子科学研究所、スペインCIC NanoGUNE)が、散乱型近接場光顕微鏡(s-SNOM)で世界最高の1ナノメートルの空間分解能を達成。探針の振動を従来の10分の1以下に抑える超低振幅s-SNOM技術を開発し、原子間力顕微鏡と高感度検出を組み合わせて近接場を高精度に計測。これにより、金属表面と1原子層のシリコン薄膜を識別し、原子スケールで物質表面の光学特性を観察可能にした。今後はナノデバイス評価やオングストロームオプティクスへの応用が期待される。

<関連情報>

極小の探針振動振幅を用いた1ナノメートル分解能の散乱型近接場光顕微鏡法 Scattering near-field optical microscopy at 1-nm resolution using ultralow tip oscillation amplitudes

Akitoshi Shiotari, Jun Nishida, Adnan Hammud, Fabian Schulz, […] , and Melanie Müller
Science Advances  Published:11 Jun 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adu1415

Abstract

Scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) allows for the observation of the optical response of material surfaces with a resolution far below the diffraction limit. Based on amplitude-modulation atomic force microscopy (AFM) with typical tapping amplitudes of tens of nanometers, a spatial resolution of 10 to 100 nm is routinely achieved in s-SNOM. However, optical imaging and spectroscopy of atomic-scale structures remain a substantial challenge. Here, we developed ultralow tip oscillation amplitude s-SNOM (ULA-SNOM), where the ultraconfined field localized at a 1-nm-scale gap between a plasmonic tip and sample is combined with frequency-modulation (noncontact) AFM in a stable cryogenic ultrahigh vacuum environment. Using a silver tip under visible laser illumination with a constant 1-nm amplitude oscillation, we obtain a material-contrast image of silicon islands on a silver surface with 1-nm lateral resolution, which surpasses the conventional limits of s-SNOM. ULA-SNOM paves the way for the acquisition of optical information from atomic-scale structures, such as single photo-active defects and molecules.

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