Локальная оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля для исследования оптических свойств поверхностных наноструктур

На правах рукописиМУЗЫЧЕНКО ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧЛОКАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ ИПОЛЯРИМЕТРИЯ БЛИЖНЕГО ПОЛЯ ДЛЯИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОСТРУКТУРСпециальность01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физикиАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква — 2008Работа выполнена на кафедре квантовой электроники Физического факультета Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорПанов Владимир ИвановичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорЯминский Игорь Владимировичдоктор физико-математических наук,профессорБахтизин Рауф ЗагидовичВедущая организация:Защита состоится “Физический Институт имени П.Н.

Лебедева(г. Москва)”2008г. в 16 ч. 00 мин. на за-седании диссертационного совета Д 501.001.66 в Московском ГосударственномУниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинскиегоры, МГУ, Физический факультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан “”сентября2008г.Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.66Доктор физико-математических наукЕршов А.П.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииУспехи современной микро/наноэлектроники и нанофотоники базируются на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела.

Прежде всего огромные успехи в этой области связаны сбурным развитием методов исследования поверхности (вплоть до атомныхмасштабов), которые позволяют обнаруживать новые эффекты, детальноизучать и в дальнейшем использовать их в прикладных целях. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) [1, 2, 3] за последние 20 лет, стала однимиз наиболее широко используемых современных методов исследования морфологии и локальных физических свойств поверхности твердого тела. Ееисключительной особенностью стала неразрушающая природа измеренийи сверхвысокое пространственное разрешение. Изобретение в 1982 г.

первого туннельного микроскопа [1] и последующая наглядная демонстрациявозможности оперировать отдельными атомами [4] и молекулами [5] далисильный толчок развитию целого направления в физике, получившему впоследствии название физика наносистем (ФН).ФН и физика поверхностных явлений в настоящее время являются одними из наиболее интенсивно развивающимися разделами науки.

Именнона фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро- и наноэлектроники, спинтроники, нанофотоники, наноприборостроения, методов обработки и получения наноматериалов и т.д. В силу этого исследование разнообразныхэлектронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, является актуальной задачей.Немаловажное значение сегодня отводится и изучению взаимодействия нанообъектов с электромагнитным излучением оптического диапазона.

В последние годы появились устройства, принцип работы которых основан на взаимодействии электромагнитного излучения с объектами, сравнимыми или даже меньшими чем длина волны этого излучения. Понимание и визуализация процессов, происходящих при взаимодействии световой волны с объектами, размеры которых значительно меньше чем длинаволны света, очень важно как с фундаментальной точки зрения, так и сприкладной. Перечень задач, связанных с изучением взаимодействия излучения оптического диапазона с наноструктурами, весьма широк и включает в себя такие задачи как: создание оптических накопителей информациисо сверхвысокой плотностью записи информации (вплоть до 1012 бит/см2 ),управление молекулярными машинами с помощью оптического излучения,создание оптических компьютеров, фотонных кристаллов и различных фотонных устройств в наноэлектронике.

Все эти задачи требуют детального понимания процессов, происходящих при взаимодействии света с наноструктурами. Однако традиционная оптическая микроскопия, основаннаяна использовании линз, имеет существенное ограничение на разрешающуюспособность, ограниченную дифракционным пределом D ≥ 1.22 · λ/2n,где λ – длина волны света, n – показатель преломления среды. Для длин4волн оптического диапазона предельное разрешение составляет порядка300 ÷ 500 нм. Идея преодоления дифракционного предела была предложена Сингхом (E.H.

Synge) еще в 1928 году [6], однако реализация этой идеистала возможна лишь спустя многие десятилетия. В 1972 году в экспериментах с электромагнитным излучением микроволнового диапазона [7]была зафиксирована разрешающая способность λ/60. А в середине 80х годов было продемонстрировано сверхразрешение и в оптическом диапазоне частот. Достигнутая разрешающая способность составила λ/20, иэто направление исследований получило название - сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (СОМБП) [3, 8, 9]. На сегодняшнийдень микроскопия ближнего оптического поля является одним из наиболееперспективных направлений исследования локальных оптических свойствповерхности, возникший в результате развития сканирующей туннельнойи атомно-силовой микроскопии (СТМ, АСМ) [1, 2].СОМБП позволяет получать информацию о различных (в том числе спектральных и поляризационных) оптических свойствах нанообъектовс разрешением, значительно превышающим дифракционный предел.

Возможность улучшения на порядок и более локальности оптических методов исследования поверхности весьма существенна при решении широкогокруга фундаментальных и прикладных задач. Анализируя взаимодействиесвета с неоднородной поверхностью методами классической оптики, приходится усреднять влияние многих факторов (дефектов, примесей и т.д.), находящихся в пределах облучаемого участка.

Применение СОМБП позволяет преодолеть это ограничение и исследовать оптические свойства отдельных объектов нанометрового размера. Кроме этого, СОМБП предоставляетуникальные возможности по изучению локальной структуры электромагнитного поля (ЭМП), включая его пространственную структуру, поляризационные и спектральные свойства в окрестностях наноструктур с разрешением, более чем на порядок превышающим дифракционный предел.Несмотря на то, что в последнее десятилетие метод интенсивно развивается, многие возможности остаются до сих пор не раскрытыми и требуют более детального изучения. Так, прежде всего, требуют пониманияфундаментальные основы процессов формирования СОМБП изображенияи выявления взаимосвязи структуры поверхности с ее локальными оптическими свойствами.

Для фундаментального понимания и корректной интерпретаций получаемых результатов необходимо также учитывать насколькосамо зондирующее острие влияет на распределение ЭМП вблизи исследуемых объектов. В настоящее время в мире широко изучаются возможностиСОМБП в области сверхплотной записи информации, в том числе с использованием фотохромных люминофоров и магнитных пленок в качественосителей.

В связи с вышеизложенным работы, направленные на углубление понимания фундаментальных процессов, лежащих в основе СОМБП,и работы, направленные на создание новых экспериментальных установокдля комплексного исследования оптических свойств поверхностных наноструктур методом СОМБП, являются весьма актуальными.5Цели и задачи исследованияЦелью диссертационной работы является: разработка и создание диагностической аппаратуры СОМБП с субдлинноволновым оптическим пространственным разрешением для комплексного исследования оптических(включая спектральные и поляризационные) свойств субмикро и наноструктур в различных режимах работы СОМБП; разработка методики изучения локальной трехмерной пространственной структуры ЭМП в окрестностях наноструктур с помощью СОМБП; разработка методов изучениялокальных поляризационных и люминесцентных свойств микро- и нанообъектов с помощью ближнепольной сканирующей микроскопии; развитиеметодов анализа люминесцентных, нелинейно-оптических и магнитооптических параметров элементов оптической обработки информации с разрешением, много меньшим оптической длины волны (разрешение вплоть до30 нм при длине волны ∼ 530 нм).В соответствии с целями исследования были поставлены следующиеосновные задачи.1.

Разработка и создание диагностической аппаратуры СОМБП модульной конструкции для исследования спектральных, люминесцентныхи поляризационных оптических свойств наноструктур, позволяющейпроводить комплексное исследование оптических свойств объектовс характерными размерами много меньшими длины световой волны.Важным свойством диагностического комплекса СОМБП должна была стать возможность реализации в одном приборе 11-ти различныхпо своим физическим принципам режимов работы СОМБП, включаяапертурный и безапертурный вариант СОМБП;2.

Разработка и создание датчика контроля силы взаимодействия зондирующего острия с поверхностью, обеспечивающего в режиме сканирования разрешающую способностью по высоте не хуже 0.3 нмс силой взаимодействия зондирующего острия с образцом не более0.5 нН, что позволяет исследовать биологические объекты без их разрушения;3. Разработка методики изучения локальной трехмерной пространственной структуры ЭМП в непосредственной близости от исследуемых объектов (на расстояниях z ¿ λ, где λ - длина волны излучения) с помощью СОМБП, выявление особенностей этих распределений ЭМП и учет особенностей формирования трехмерных оптическихСОМБП изображений;4. Исследование методом СОМБП кластеризации люминесцентногокрасителя в полимерной пленке с оптическим разрешением, многоменьшим длины волны излучения накачки и длины волны излучениялюминесценции, а также изучение люминесцентных свойств сферических стеклянных наночастиц (размером 20-100 нм), окрашенныхлюминесцентным красителем;65.

Изучение трехмерного распределения ЭМП вблизи искусственно созданных субмикронных диэлектрических и металлических структур,представляющих собой периодически расположенные полимерные иметаллизированные наноцилиндры, для выявления физических механизмов взаимодействия оптического излучения с микро- и наноструктурами;6.

Разработка методики получения с помощью СОМБП информации олокальном распределении магнитного кругового двойного лучепреломления в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов как в статическом режиме, так и в динамическом режиме с модуляцией плоскости поляризации зондирующего луча;7.