Оптическая микроскопия ближнего поля для исследования нанообъектов

Реферат

По дисциплине «Физико-химические основы электронных технологий»
Тема «Оптическая микроскопия ближнего поля для исследования нанообъектов»

Выполнил:
Студент группы МТ11-42
Чернобровкин Д.С.

Проверил:
Ассистент кафедры МТ-11
Сидорова С.В.

Москва, 2016

Оглавление

Вступление………………………………………………………………….3

История создания……………………………………………………...…...4

Устройство и принцип работы СЗМ...........................................................5

Микроскопия ближнего поля с использованием апертуры…………………..6

Способы детектирования сигнала………………………………………….......7

Системаразвертки……………………………………………………..8

Регистрирующая система……………………………………………………...9

Оптический блок……………………………………………………...10

Разрешающая способность ближнепольных микроскопов…………….11

Ближнее поле……………………………………….……………………..12

Заключение………………………………………………………………..14

Список использованной литературы…………………………………….15

Вступление

Еще совсем недавно считалось, что предел возможному в оптике ставит фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических приборов. Он заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого света и принципиально ограничен дифракцией излучения. Однако в последнее время появилась и вызывает все больший интерес возможность изучения и формирования оптическими методами различных структур нанометровых размеров, которые во много раз меньше длины световой волны . Такая возможность возникла в связи с развитием ближнепольной оптики (БПО) - нового и чрезвычайно перспективного направления физической и прикладной оптики. С физической точки зрения она основана на присутствии в дальней зоне излучения вполне идентифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в ближнем световом поле, которое локализовано на расстояниях много меньших . В техническом смысле БПО сочетает элементы обычной оптики и сканирующей зондовой микроскопии. Отличительным элементом ближнепольных приборов является оптический зонд (рис. 1), обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно 1, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла 2.

Часть светового потока, распространяющегося по волокну, проходит через выходное сечение зонда как сквозь диафрагму в металлическом экране и достигает образца, расположенного в ближнем поле источника. Если расстояние z до поверхности образца и радиус a диафрагмы удовлетворяют условию , то размер светового пятна на образце близок к размеру диафрагмы. При перемещении зонда вдоль образца возможна реализация разрешения, не ограниченного дифракцией, или сверхразрешения.

История создания

Подобная идея создания ближепольного микроскопа была предложена еще в 1928 году Эдвартом Сингхом (E.H. Syngh), она намного опередила технические возможности своего времени и осталась практически не замеченной. Ее первое подтверждение было получено Эшем (E.A. Ash) в опытах с микроволнами в 1972 году. В начале 80-х годов группа исследователей из Цюрихской лаборатории фирмы IBM во главе с Дитером Полем (D.W. Pohl) проникла внутрь дифракционного предела и продемонстрировала разрешение /20 на приборе, работающем в видимом оптическом диапазоне и получившем название ближнепольного сканирующего оптического микроскопа (БСОМ). Чуть раньше в той же лаборатории был создан первый сканирующий туннельный микроскоп, принесший ей всемирную известность.

В отличие от туннельного и атомно-силового микроскопов, сразу завоевавших признание, БСОМ некоторое время оставался в тени. Уникальные возможности БСОМ были убедительно продемонстрированы лишь в начале 90-х годов, когда удалось решить две важные технические проблемы: существенно повысить энергетическую эффективность зондов и обеспечить надежный контроль расстояния между острием и образцом. В последние годы в десятках лабораторий успешно ведутся работы по использованию БСОМ при решении широкого круга задач физики поверхности, биологии, техники записи и считывания информации и др. С 1993 года в США ведется промышленный выпуск приборов БПО.

Ниже рассмотрена одна из простейших схем ближнепольного микроскопа, дано объяснение возможности получить сверхразрешение в оптике исходя из первых принципов, обсуждаются некоторые применения БПО.

Устройство и принцип работы БПОМ

C
ertus NSOM – сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ), оснащенный специализированными держателями зондов и необходимым оптическим оборудованием для проведения исследований с использованием эффекта ближнего поля (Рисунок 1).

(Рисунок 1 Certus NSOM – сканирующий зондовый микроскоп)

Оптическая микроскопия ближнего поля основана на использовании свойств ближнего (эванесцентного) поля, что позволяет преодолеть дифракционный предел классической оптической микроскопии.

Все  ближнепольные микроскопы включают несколько базовых элементов конструкции:

• зонд;

• система перемещения зонда относительно поверхности образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам (система развертки);

• регистрирующая система;

• оптическая система.

Основной элемент любого ближнепольного микроскопа – оптический зонд. Конструкция такого зонда позволяет локализовать электромагнитное поле в области пространства с размерами меньше длины волны используемого излучения.

Существует два способа локализации электромагнитного поля: апертурный и безапертурный. В дальнейшем речь пойдет только о ампертурных микроскопах.

1)    Для освещения объекта и/или детектирования сигнала используется апертура, размер которой может быть существенно меньше длины волны (d << λ). Как правило, для этой цели используются зонды на основе оптического волокна покрытого металлом и апертурой на конце зонда. При этом апертура должна располагаться на расстоянии от поверхности меньшем, чем длина волны (h << λ).

2)    Для локализации излучения используется иголка зонда, поднесенная к освещенной поверхности на расстояние меньше длины волны. В таком режиме острие рассеивает (превращает в дальнее) ближнее поле, локализованное у поверхности образца.

Микроскопия ближнего поля с использованием апертуры

В
общем случае зонд для апертурной микроскопии ближнего поля представляет собой заостренное оптическое волокно покрытое слоем металла и апертурой на острие волокна. Размер апертуры и материал покрытия варьируются в зависимости от методики и требуемого разрешения. Как правило, диаметр апертуры  50-100 нм, и в качестве покрытия используется алюминий или серебро. Схема получения ближнепольного изображения в точке представлена на Рисунке 2

(Рисунок 2 схема получения ближнепольного оптического изображения в точке с использованием апертуры.)

На рисунке 2 буквенные индексы имеют следующее значение:

A - область ближнего поля (h << λ)

B - область дальнего поля (h ≥ λ)

C - лазерное излучение

D - оптическое волокно

E - металлическое покрытие оптического волокна

F - апертура (d << λ)

G – образец

С
пособы детектирования сигнала

Способы детектирования сигнала представлены на рисунке 3.

(Рисунок 3 Различные методики ближнепольной оптической микроскопии с использованием апертуры.)

На рисунке 3 буквенные индексы имеют следующее значение:

A - падающее и отраженное излучение идут по одному и тому же оптическому волокну.

B - падающее излучение идет по оптическому волокну зонда, детектируется отраженное от поверхности образца излучение.

C - для освещения образца используется внешний источник лазерного излучения, для сбора отраженного излучения используется зонд.

D - для подвода излучения к образцу используется зонд, детектируется прошедшее через образец излучение. Методика применима только к прозрачным образцам.

E - для подвода излучения к образцу используется внешний источник лазерного излучения, детектируется излучение прошедшее через образец. Методика применима только к прозрачным образцам.

Система развертки

Независимо от конструкции оптический зонд позволяет получить сигнал исключительно в одной точке. Для построения растровых изображений необходима система перемещения зонда относительно поверхности по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам (система развертки).

В качестве системы развертки используют сканеры, аналогичные сканерам туннельных и атомно-силовых микроскопов. Т.е. сканеры на пьезотрубках или плоско-параллельные сканеры.

В
Certus NSOM сканирующая головка Certus и XY-сканирующее основание Ratis (Рисунок4) специально разработаны для подвода объективов и источников лазерного излучения к зонду у поверхности объекта исследования, что позволяет использовать все основные методики микроскопии ближнего поля.

( Рисунок 4 Certus NSOM сканирующая головка Certus и XY-сканирующее основание Ratis)

Регистрирующая система

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

М
етод “shear-force” основан на регистрации изменения частоты колебаний зонда, вызванных тангенциальной составляющей сил взаимодействия зонд-поверхность. Для определения изменения частоты колебаний используют  резонаторы камертонного типа (tuning-fork), колебания с которых детектируют с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта кристаллов кварца.(Рисунок 5)

(Рисунок 5, схема кварцевого камертонного резонатора (tuning-fork), используемого для поддержания обратной связи)

На рисунке 5 буквенные индексы имеют следующее значение:

Оптический блок

Для возбуждения и детектирования оптического сигнала используется оптический блок, включающий в себя источник лазерного излучения, поляризаторы и детекторы сигнала (лавинные фотодиоды, ФЭУ или ПЗС матрицы). Конфигурация оптического блока подбирается под задачу и бюджет исследовательских лабораторий.

Разрешающая способность ближнепольных микроскопов

Основной характеристикой БСОМ является пространственное разрешение, которое в сильной степени зависит от условий освещения или в более общем случае - от наблюдения образца, структуры его поверхности и микрогеометрии зонда. Известно, что функция импульсного отклика дифракционно-ограниченной оптической системы описывается распределением Эри. Полуширина главного максимума распределения соответствует разрешению по Рэлею: , где - апертурный угол. В пределе при . При прохождении света через малую диафрагму из-за рассеяния и геометрических ограничений происходит искажение и расширение спектра переносимых пространственных частот, которое также описывается распределением Эри . В результате при волновое поле непосредственно за диафрагмой содержит сколь угодно большие пространственные частоты и как следствие этого . В реальной ситуации из-за конечной проницаемости металлического экрана (покрытия) минимальный эффективный радиус диафрагмы определяется глубиной проникновения света в металл или толщиной скин-слоя. С учетом этого ожидаемое предельное разрешение, например, для зонда с алюминиевым покрытием в видимом диапазоне спектра составляет нм, что соответствует лучшим экспериментальным результатам. Отсутствие физических ограничений размера вершины зонда в безапертурных БСОМ позволяет реализовать в них разрешение лучше 1 нм.

Ближнее поле

Критерий Рэлея является одной из иллюстраций принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому любая попытка повысить степень локализации или точность определения положения источника света приводит к возрастанию неопределенности сопряженного импульса фотонов. При рассеянии фотонов в максимальном диапазоне углов ( - постоянная Планка, k_x - x-компонента волнового вектора k) и . Возможность реализации разрешения , казалось бы, противоречит одному из основных физических принципов. Следует, однако, иметь в виду, что соотношение неопределенности в самом общем виде относится к положению частицы в импульсно-координатном пространстве. Поэтому, ограничивая одну из компонент волнового вектора, оно позволяет варьировать другие. Можно принять, например, , , где - вещественное положительное число. Тогда При область допустимых значений k_x неограниченно растет, а может быть сколь угодно малым.

Мнимым k_z соответствуют затухающие волны. Следовательно, при реализации субволнового разрешения антенна-зонд должна располагаться в пределах затухающего поля вблизи поверхности образца, то есть заведомо при .

Мы можем теперь уточнить понятие ближнего поля, ассоциируя его с областью существования затухающих и, следовательно, нерадиационных волн, амплитуда которых меняется с расстоянием z от границы раздела сред или малого рассеивающего объекта по закону , где g > 0. Величина g^-1 характеризует глубину проникновения затухающей волны и по порядку соизмерима с размерами субволнового рассеивателя. В частности, для диафрагмы радиуса a в тонком проводящем экране . Для поверхности со сложным рельефом величина g^-1 определяется суммарным вкладом компонент спектра пространственных частот, причем m-я компонента с периодом обнаружима на расстоянии (В режиме сбора фотонов точность воспроизведения профиля поверхности возрастает с увеличением числа m компонент затухающего поля, участвующих в образовании изображения, а значит, с уменьшением z.) В дальнем поле при присутствуют лишь распространяющиеся волны, к которым применимы законы и ограничения обычной оптики. Естественно, что они также вносят вклад в результирующее поле в ближней волновой зоне. Структуру ближнего поля могут определять также и различного рода поверхностные резонансные электромагнитные моды, возбуждаемые светом вблизи выходного сечения зонда (например, поверхностные поляритоны)