【技術】走査型近接場光顕微鏡（SNOM / NSOM）

概要

走査型近接場光顕微鏡（Scanning Near-field Optical Microscopy：SNOM、またはNSOM）は、光学顕微鏡でありながら回折限界を超えた空間分解能を実現できる顕微鏡手法です。
通常の光学顕微鏡では、光の波としての性質により、約200 nmより細かい構造を分解して観察することはできません。しかしSNOMでは、「近接場光（ニアフィールド）」と呼ばれる特殊な光の領域を利用することで、この制限を突破します。

SNOMは、先端が非常に鋭いプローブ（探針）を試料表面のすぐ近くまで近づけ、光学信号を一点ずつ測定しながら走査する顕微鏡です。
そのため、ナノメートルスケールでの光学情報（吸収・蛍光・散乱など）を取得できる点が大きな特徴です。

特徴

長所

SNOMには、以下のような独自の強みがあります。

• 回折限界を超える高分解能
  分解能は光の波長ではなく、プローブ先端サイズ（数十 nm）で決まります。
• 光学情報と形状情報を同時取得
  原子間力顕微鏡（AFM）と組み合わせることで、表面形状と光学特性を同時に測定できます。
• 蛍光・吸収・ラマン散乱など多様な測定が可能
  試料の物性評価に幅広く応用できます。

短所

一方で、初心者が理解しておくべき制約もあります。

• 測定が非常に遅い
  点走査のため、広い範囲の観察には時間がかかります。
• 装置操作が難しい
  プローブ制御や振動対策が必要です。
• 主に表面観察に限られる
  試料内部深くの情報は取得できません。

他の手法との違い

SNOMは、「光を使うが、考え方は走査型プローブ顕微鏡に近い」手法です。

原理

近接場光とは

光が物質と相互作用する際、界面近傍には波として遠くへ伝播しない局在的な電磁場が生じます。これを「近接場（ニアフィールド）」と呼びます。

近接場光の強度は、界面からの距離 (z) に対して次のように急激に減衰します。

$$ I(z) \propto \exp\left(-\frac{z}{\delta}\right) $$

• δ：減衰長（通常、数十 nm以下）

この近接場は、回折限界の影響を受けません。

SNOMの基本構成

SNOMでは、以下のいずれかの方式が用いられます。

• 開口型SNOM
  金属コーティングされた光ファイバー先端の微小開口から光を出す
• 散乱型SNOM
  金属探針で近接場を散乱させて検出する

探針を試料表面から数 nmの距離で走査しながら、光信号を一点ずつ測定することで、ナノスケールの光学像を構築します。

歴史

SNOMの概念は比較的古くから存在していました。

• 1928年：近接場光の理論的概念が提案
• 1980年代：走査型トンネル顕微鏡（STM）の登場により注目
• 1984年：実用的なSNOMが初めて実証
• 1990年代以降：AFM技術との融合で普及

ナノテクノロジーの発展とともに、SNOMは重要な計測手法として確立されました。

応用例

半導体・ナノ材料評価

• ナノ構造デバイスの光応答評価
• プラズモン共鳴の可視化

高分子・材料科学

ポリマー表面の組成分布や相分離構造を、ナノスケールで解析できます。

生体試料の表面観察

細胞膜や生体分子集合体の局所的な蛍光特性を調べる研究に用いられています。

今後の展望

SNOMは現在も進化を続けています。

• 散乱型SNOMの高感度化
  赤外・テラヘルツ領域への応用
• 超高速分光との融合
  ナノスケールでの時間分解測定
• 他顕微鏡技術との統合
  AFM、ラマン、電子顕微鏡との複合化

特に、ナノ材料や光デバイス研究分野での重要性が高まっています。

まとめ

走査型近接場光顕微鏡（SNOM）は、

• 近接場光を利用して回折限界を突破
• ナノメートル分解能で光学情報を取得
• 表面ナノ光学に特化した顕微鏡技術

という特徴を持つ手法です。
初心者の方は、「針の先で光を探りながら表面をなぞる顕微鏡」とイメージすると理解しやすいでしょう。

SNOMは、光とナノ構造の関係を解き明かすための強力なツールとして、今後もさまざまな分野で活躍していくと期待されます。