_{Министерство образования и науки Российской Федерации}

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Н. Э. БАУМАНА
(МГТУ имени Н. Э. Баумана)

Реферат

по курсу

«Основы наноэлектроники и нанотехнологий»

по теме

«Оптическая микроскопия ближнего поля для

исследования нанообъектов»

Выполнил: Самарцев А.С.

Группа: МТ11-82

Преподаватель: Сидорова С.В.

г. Москва, 2015

Содержание

Введение 3

1 Принцип работы и предпосылки создания 4

2 Методики освещения и детектирования сигнала 7

3 Регистрирующая система 9

Заключение 11

Список использованных источников 12

Введение

В настоящий момент область науки связанная с нанотехнологиями, а именно: с наноразмерными частицами и эффектами, с наноструктурироваными материалами и т.д., активно развивается. Для изучения в этой сфере науки требуется измерительное оборудование способное регистрировать объекты, характерных нанометровых размеров. Вопрос этот настолько актуален, что существует специальное понятие для этого вопроса – нанодиагностика, т.е. совокупность специализированных методов исследования, направленная на изучения физико-химических свойств наносистем, наноматериалов, анализ наноколичеств вещества, измерения количественных параметров с наноточностью[1].

Сейчас известна масса методов и средств измерений, которые способны решать задачи нанодиагностики, и, в частности, работать в нанометровом диапазоне размеров. Самые известные из них, это атомно-силовая микроскопия (АСМ), сканирующая зондовая микроскопия (СТМ), вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС) и многие другие. В этом реферате рассматривается метод ближнепольной оптической микроскопии (БОМ), которая, как правило, представляет собой ближнепольную сканирующую оптическую микроскопию (БСОМ).

1. Принцип работы и предпосылки создания

Сама по себе оптическая микроскопия самый древний из известных способов изучения объектов невидимых невооруженным глазом. Но классическая оптическая микроскопия ограничивается классической теорией физики, согласно которой, по критерию Рэлея разрешающая сила оптического прибора где – разрешающая сила, – длина волны, а – минимальная разность длин волн двух спектральных линий, при которой спектральный аппарат разрешает эти линии, т.е. позволяет их рассмотреть на экране наблюдения раздельно, – номер спектра (максимума), – число щелей.

Таким образом, согласно классической теории дифракции, луч света от удаленного источника, попадая в круглый окуляр, формирует изображение, состоящее из ряда светлых и темных концентрических полос вокруг яркой центральной точки, — так называемую дифракционную картину. Законы оптики говорят нам, что реальный источник света в нашем восприятии будет размыт, и такое размытие наблюдается в любом оптическом приборе. Если мы наблюдаем два близких источника света, их размытые образы накладываются один на другой.

Рэлей как раз и показал, что если центральное световое пятно дифракционной картины одного источника света удалено от центрального светового пятна другого источника света на расстояние не менее радиуса первой темной дифракционной полосы, то мы начинаем воспринимать два источника света раздельно: это расстояние называется линейным разрешением оптического прибора. Если два источника света удалены друг от друга на расстояние d, расстояние от них до нас равно D, длина световой волны равна λ, а диаметр окуляра равен А, то, согласно критерию Рэлея, условием оптического разрешения двух источников в окуляре будет:

Иными словами, если точечные источники света разнесены на расстояние не меньше d, наблюдатель, находясь на удалении D, сможет различить их в окуляре диаметром А как раздельные, в противном случае они сольются. Отношение d/D представляет собой угловую меру в радианах (для перевода в градусы нужно умножить ее на 57,3) между направлениями на два источника света. Критерий Рэлея, таким образом, устанавливает границы углового разрешения для любого оптического инструмента, будь то телескоп, фотоаппарат или человеческий глаз. (Коэффициент 1,22 определен математически и требует, чтобы размер окуляра и длина световой волны были измерены в одних и тех же единицах.)[2]

Но квантовая теория дополняет классические законы и позволяет использовать эффект просачивания света вопреки этим законам. В БОМ используют наноразмерный оптический зонд в виде заостренного керна тончайшего оптического волокна (рисунок 1) с диаметром острия порядка нескольких единиц или десятков нанометров.

Рисунок 1 –Структура оптических зондов для микроскопии ближнего поля: слева – для работы в режиме облучения зондом; справа – для работы в режиме просачивания света в зонд

Это в десятки-сотни раз меньше длины волны света, и с точки зрения классической физики свет сквозь такое отверстие в оптоволокне проходить не может. Тем не менее, по законам квантовой механики свет все же частично просачивается сквозь такие отверстия, но лишь на расстояние, сопоставимое с их поперечными размерами. Это - т.н. "ближнее поле" (эванесцентное), от которого и происходит название таких микроскопов. Если расстояние между зондом и исследуемым образцом так же мало, как и отверстие оптического зонда, то в пределах ближнего поля просочившийся свет взаимодействует с близлежащим участком образца и "ощущает" локальные свойства материала.

На рисунке 1 цифрой 1 обозначен керн (сердцевина) оптического волокна, цифрой 2 – его оболочка (с меньшим показателем преломления), цифрой 3 - заостренный кончик. При работе в режиме облучения на заостренный кончик наносят металлическое покрытие 4, чтобы сконцентрировать свет в малом объеме. Цифрой 5 обозначена приповерхностная область образца, а цифрой 6 - условное изображение фотонов, которые просачиваются из волокна в образец или из образца в волокно. Тонкие стрелки условно показывают электромагнитные взаимодействия в пределах ближнего поля.[3]

В результате взаимодействия света с атомами/молекулами исследуемого образца возможны: поглощение квантов света, их рассеяние, комбинационное рассеяние, переизлучение в виде люминесценции и т.п.

БСОМ в отличие от БОМ имеет систему перемещения, а изображение строиться по точкам. Такой микроскоп позволяет получать растровые изображения поверхностей.

БСОМ позволяет определять топологию поверхности, свойства материала (плотность и т.п.), тип решетки, позволяет проводить элементный анализ. Пространственное разрешение метода составляет примерно от 30 нм до 2 мкм.[1]

1. Методики освещения и детектирования сигнала

Оптический зонд, изображенный на рисунке 1, является основным элементом любой схемы методик измерения. Самым простым случаем является схема, при которой падающее и отраженное излучение идет по одному и тому же оптическому волокну. Рисунок 1.

Другая методика подразумевает прохождение по оптоволокну только падающего излучения. Отраженное же проходить по сторонам от зонда и собирается либо линзой, либо широкоугольным объективом и регистрируется фотодетектором. Отраженный свет, падающий на сам зонд, не регистрируется. Встречается так же схема, при которой подложка, на которой лежит образец, прозрачна и на фотодетектор попадает не отраженное излучение, а пропускаемое. Схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Способы собирания света линзой от зоны взаимодействия в ближнем поле в режиме облучения оптическим зондом: слева – собирание с противоположной стороны прозрачной подложки; в центре – собирание рассеянного в сторону света; справа – собирание широкоугольным объективом
ОВ – оптоволокно, Обр – образец, Л – линза, ФД – фотодетектор, Об – широкоугольный объектив

Ещё одна методика обратна второму случаю. Рассеянный вторичный свет попадает в отверстие зонда, проходит через его отверстие и регистрируется. Этот излучение подается извне лазером излучающий сбоку под острым углом к направлению падения. В другом варианте свет поступает снизу, через прозрачную подложку. Такой метод называется режимом просачивания. Основные схемы приведены на рисунке 3.[3,4]

Рисунок 3 – Способы доставки света в зону ближнего поля в режиме просачивания: слева – подача света с противоположной стороны прозрачной подложки; справа – подача света сбоку. З – зеркало; Обр – исследуемый образец; ЛД – лазерный диод; Л – линза; ОВ – оптоволокно

1. Регистрирующая система

Для регистрации изменения расстояния между зондом и поверхностью образца используют те же методы, что и в атомно-силовой микроскопии. Наибольшее распространение получили метод “shear-force” и регистрация положения зонда с использованием дефлектометра.

Метод “shear-force” основан на регистрации изменения частоты колебаний зонда, вызванных тангенциальной составляющей сил взаимодействия зонд-поверхность, таких как Ван-дер-Ваальсовые силы, упругие силы и силы адгезии. Для определения изменения частоты колебаний используют резонаторы камертонного типа (tuning-fork), колебания с которых детектируют с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта кристаллов кварца. Схема представлена на рисунке 4.[3,4]

Рисунок 4 – Схема кварцевого камертонного резонатора (tuning-fork), используемого для поддержания обратной связи.
А – зонд, Б – оптоволокно, В – электроды, которые используются для измерения изменения напряжения возникающего на сторонах кристалла кварца (прямой пьезоэлектрический эффект) в результате изменения частоты колебаний при взаимодействии с поверхностью. Информация об изменении напряжения позволяет определить текущую частоту колебаний резонатора, Г – кристалл кварца (пьезоэлектрик), Д – пьезовибратор. Используется для создания вынужденных колебаний резонатора (установка начальной частоты колебаний резонатора)

Заключение

В данной работе представлен анализ литературных источников по заявленной теме. Разъяснены принципы работы БОМ и БСОМ. Указанны отличия метода БОМ от классического оптического микроскопа и возможности, которые они предоставляют БОМ.

Проведен анализ принципиальных схем работы методов при различных типах подложек, и подаче и приёме излучения.

Проанализированы метода регистрации расстояния между зондом и поверхностью.

На основе проведенной работы можно утверждать то, что метод БОМ и, в частности, БСОМ, является сравнительно простым, но весьма эффективным средством нанодиагностики, т.к. позволяет покрыть широкий спектр возможностей. В конструкциях установок используют уже известные технологии (система регистрации, диодные лазеры, оптоволоконную систему, фотодетекторы), что позволяет использовать опыт, накопленный при применении в других системах. Существует разнообразие методов измерения, что так же увеличивает применимость БОМа. Недостатком является невозможность одним этим прибором покрыть весь спектр интересующих свойств нанообъектов, а так же ограниченный диапазон размеров. Нижний предел в 30 нм не способен удовлетворить все нужды нанодиагностики, которая, зачастую требует изучать объекты, куда меньших размеров.

Список использованных источников

1. Сидорова С.В. Лекции по курсу «Основы наноэлектроники и нанотехнологий»

2. Джеймс Трефил Энциклопедия по физике «Природа науки. 200 законов мироздания» http://elementy.ru/trefil/33

3. Электронный курс лекций «Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков» Составители курса Войтович И., Корсунский В. http://www.intuit.ru/studies/courses/12180/1173/info

4. Описание Certus NSOM – сканирующего оптического микроскопа ближнего поля http://www.nanoscantech.com/ru/products/spm/spm-131.html