Локальная оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля для исследования оптических свойств поверхностных наноструктур, страница 3

Обоснована необходимость использования комплексного подходак исследованию оптических свойств наноструктур для взаимного дополнения информации о таких свойствах.В заключении данной главы рассмотрены виды взаимодействия зондирующего острия с поверхностью и рассмотрены наиболее важные особенности построения датчиков квазитрения, основанных на силах поверхностного трения для использования таких датчиков в качестве измерителясилы взаимодействия зонда с поверхностью в СОМБП.Глава 2 посвящена описанию разработанного и созданного диагностического комплекса СОМБП модульной конструкции для исследованияабсорбционных, люминесцентных и поляризационных оптических свойствсистем пониженной размерности с оптическим разрешением ∼ 30 нм.Опыт экспериментальной работы в области СЗМ показывает, что широта задач, стоящих перед сканирующей оптической микроскопией ближнего поля требует использования различных оптических конфигураций,изменение которых должно осуществляться, по возможности, достаточнопросто и быстро.

Обеспечение возможности введения в оптическую схемудополнительных элементов, таких как модуляторы, поляризаторы, компенсаторы и т.д., а также требования к простоте замены источников и де-11Рис. 2.Общий вид диагностического комплекса СОМБП. (а)-оптикомеханический модуль со сканированием зондом; (б)-оптико-механический модуль со сканирования образцом в составе металлографического инвертированного оптического микроскопа МИМ-7.текторов излучения приводят к необходимости использования модульногопринципа при конструировании установок для СОМБП.Применение в ряде оптических схем СОМБП стандартных оптических устройств, а также образцов больших размеров делает крайне желательным использование схемы со сканированием, осуществляемым путемперемещения зонда.

Кроме того, такая схема представляется оптимальнойпри реализации режима фотонной сканирующей туннельной микроскопии(ФСТМ). С другой стороны, в случае применения высокоапертурной собирающей оптики (например, при регистрации слабых сигналов люминесценции) и, особенно, при использовании пространственной фильтрации (дляувеличения отношения сигнал/шум), более оправданным является применение схемы, в которой все оптические элементы неподвижны.

В этомслучае сканирование должно осуществляться путем перемещения образца.Таким образом, целесообразным является создание СОМБП с модульнымпринципом построения, в котором имеются возможности осуществлять сканирование как зондом, так и образцом. Кроме того, модульность конструкции СОМБП позволяет реализовать практически все известные режимыработы в проходящем/отраженном свете и в комбинированном режиме, прикотором апертурный зонд используется как источник и коллектор излучения одновременно. Общие принципы, положенные в основу разработанногомодульного СОМБП, показаны на рис.

1. Такое разделение существеннорасширяет область применения созданного комплекса СОМБП, при этомконструкция модулей остается простой, эффективной и надежной.Общий вид оптико-механического модуля СОМБП со сканированиемзондом показан на рис. 2(а). Процесс сканирования осуществляется зондомс помощью трубчатого пьезоманипулятора точных перемещений, при этом12образец остается неподвижным и характер взаимодействия образца с оптическим излучением остается неизменным на протяжении всего эксперимента, что весьма удобно для реализации режимов работы, когда в процессефизического эксперимента ключевым условием является необходимость сохранения неизменным взаимного положения волнового фронта оптическойнакачки и исследуемой поверхности.

Одной из таких задач является задачаизучения трехмерного распределения ЭМП вблизи поверхности при взаимодействии оптического излучения с поверхностными наноструктурами и,в частности, при работе в режиме ФСТМ.Основные характеристики и возможные режимы работы созданногоближнепольно-оптического микроскопа со сканированием зондом:• максимальная область сканирования: 30×30×3 мкм3 ;• контроль расстояния зонд-образец: пьезоэлектрический датчик квазитрения;• разрешающая способность по нормали к поверхности: 0.3 нм;• средняя сила взаимодействия зонда с поверхностью: 0.4 нН;• типы оптических зондов: апертурные и безапертурные оптоволоконные зонды.• Основные оптические конфигурации:– работа в режиме сканирующего фотонного туннельного микроскопа;– работа на просвет (накачка с помощью классической оптики и сбор излучениянанометровым коллектором, и наоборот);– работа на отражении (накачка с помощью классической оптики и сбор излучениянанометровым коллектором, и наоборот);– комбинированный режим работы (накачка и сбор осуществляется одним и тем жезондирующим острием с последующим выделением информационного сигнала).Общий вид СОМБП со сканированием образцом в составе инвертированного металлографического микроскопа МИМ-7 представлен нарис.

2(б). В нем сканирование осуществляется только образцом, приэтом зонд остается неподвижным. Условие неподвижности зондирующегоострия в процессе сканирования позволяет реализовывать режимы работы СОМБП с высокоэффективным сбором оптического излучения с помощью микрообъектива, а также позволяет осуществлять пространственную фильтрацию собранного излучения для повышения соотношения сигнал/шум. Эта схема дает определенные преимущества для решения физических задач, где интенсивности излучения сравнительно малы (люминесценция единичных молекул, поляризационный анализ), и эффективностьсбора полезного излучения играет ключевую роль.

Кроме того интеграция СОМБП и классической микроскопии позволила осуществлять выбор(в пределах 10 × 10 мм2 ) исследуемого методом СОМБП участка поверхности и применять все методики классической оптической микроскопии всочетании со сверхразрешающей СОМБП.ОтличительнойособенностьюразработанногоСОМБПсо135сканированием зондом является 4манипулятор точных перемеще6ний, который представляет со- 3бой коробчатый биморфный пье7зоманипулятор (рис.

3). В мани- 2пуляторе использованы биморфные пьезоэлементы, состоящие из 1пар тонких (0.3 мм) пьезокерамических пластин с сонаправленной поляризацией, приклеенных к8общему центральному электроду,представляющему собой титано9вую пружину специальной формы.В отличие от манипуляторов наоснове пьезокерамической трубкиили триподного манипулятора, коробчатый биморфный манипуля- Рис. 3. Схематическое изображениетор имеет более удобную конструк- сканирующего узла на основе биморфныхцию. Он практически плоский, вы- пьезоэлементов.

1,8,4-пьезобиморфы длясотой порядка 10 мм, c возмож- перемещения вдоль осей X,Y,Z соответ2-держатель образца; 3-образец;ностью подвода короткофокусных ственно;5-держатель зондирующего острия и каобъективов и возможностью до- мертона; 6-кварцевый резонатор камерступа к поверхности образца под тонного типа; 7-крепление пьезоманипубольшими углами.лятора; 9-микрообъектив.Основные характеристики ивозможные режимы работы созданного ближнепольно-оптического микроскопа со сканированием образцом:• максимальная область сканирования: 50×50×6 мкм3 ;• контроль расстояния зонд-образец: пьезоэлектрический датчик квазитрения;• разрешающая способность по нормали к поверхности: 1.0 нм;• средняя сила взаимодействия зонда с поверхностью: 0.4 нН;• типы оптических зондов: апертурные и безапертурные оптоволоконные зонды.• Основные оптические конфигурации:– работа на просвет (накачка с помощью классической оптики и сбор излучениянанометровым коллектором, и наоборот);– работа на просвет (с высокоэффективным сбором излучения с помощью микрообъектива.

Накачка ближним полем, сбор излучения апертурным зондом);– работа на отражении (накачка ближним полем, сбор излучения с помощью классической оптики, и наоборот);– комбинированный режим работы (накачка ближним полем, сбор излучения субдлинноволновым коллектором).Заключительная часть главы посвящена разработке и созданию датчика контроля силы взаимодействия зондирующего острия с поверхностью(датчик сил квазитрения) для СОМБП.14Датчик сил квазитрения является одним из важнейших элементов системы слежения за расстоянием зонд-поверхность, которой отводится ведущая роль в процессе формирования ближнепольного изображения, поскольку от точности позиционирования апертурного и безапертурного зондирующего острия зависит качество получаемого оптического изображения.

Уменьшение силы взаимодействия зондирующего острия с поверхностью существенно расширяет возможности применения СОМБП особеннопри исследовании биологических объектов.Датчик силы квазитрения был разработан на основе кварцевого камертонного резонатора (ККР). ККР представляет собой кварцевый камертон общей длиной 4.5 мм, толщиной w = 0.3 мм, длиной ветви камертона L = 3 мм и шириной ветви камертона t = 0.4 мм. Статический коэффициент жесткости одной ветви ККР составляет около k =13.9 · 103 Н/м. ККР приклеивается к держателю, а зондирующее волокно приклеивается к одной из ветвей ККР параллельно последней.

Детектирование пьезоэлектрического сигнала ККР осуществляется предварительным усилителем, выполненным по схеме дифференциального LCрезонансного преобразователя-усилителя заряда с внутренней добротностью QA = 200 . Добротность Q0 свободного ККР составляет более 5000при резонансной частоте f0 = 32768 Гц. В результате приклеивания к одной ветви ККР зондирующего острия наблюдается смещение резонанснойчастоты f0 в сторону низких частот, а также одновременное уменьшениедобротности Q0 .