Локальная оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля для исследования оптических свойств поверхностных наноструктур, страница 5

В модели рассматривалась линейно поляризованная волна с частотой ω, падающая из вакуума по нормали к границе полубесконечного металла, занимающего полупространство z < Z(ρ, ϕ), где ρ, ϕ и z - цилиндрические координаты, а функцияZ(ρ, ϕ) = Lf (ρ/R) [1 + γg(ϕ)] описывает плоскую поверхность с единичным выступом высотой L и радиусом R. Функция f (x) удовлетворяет условиям f (x < 1) > 0, f (x ≥ 1) ≡ 0, а член γg(ϕ) описывает отклонениеформы выступа от цилиндрически симметричного. Выступ на поверхности предполагался: слегка наклонным; малым по сравнению с глубинойпроникновения электромагнитной волны в металл; имеющим небольшоеотклонение от цилиндрически симметричной формы.В результате теоретического анализа модели показано, что рассеяние линейно поляризованного монохроматического излучения на единичном субдлинноволновом выступе может приводить к формированию оптического вихря при малых отклонениях формы выступа от цилиндрическисимметричной.

В рамках модели получено решение, соответствующее спирали первого порядка в плоском распределении тангенциальной компоненcRe [E H] ,ты усредненного по времени вектора Умова-Пойнтинга S = 8πвзятого на металлической поверхности z = Z(ρ, ϕ).Проекция S на плоскость z = 0 описывает поток энергии бегущейплазмон-поляритонной волны, возбуждение которой падающим излучением обусловлено наличием поверхностной неоднородности. Эта компонентаэкспоненциально затухает при росте |z| и отсутствует при отсутствии поверхностного плазмона, то есть в случае диэлектрического материала, для19которого Re ε > 0.

Для рассмотренной модели¯¯¯ (s) ¯¯S x ¯À¯¯¯ (s) ¯¯S y ¯ ,Sx(s)∝e−κs z½Re(1)H1 (qsR )(sin ϕiϕ¾+ γ Im g2 e ) ,(1)где ось x выбрана параллельно вектору E0qполя падающей волны, H1 (x)- функции Ханкеля первого рода, κs = qs2 − k 2 , k = ω/c, qs - модульволнового вектора поверхностной плазмонной волны с частотой ω.На рис. 7 представлена спираль первого порядка, проявляющаяся в плоскомраспределении Sx(s) (ρ, ϕ, z = Z(ρ, ϕ)) приγ 6= 0, то есть в случае, когда форма поверхностной неоднородности отклоняетсяот цилиндрически симметричной.

Такимобразом, причиной появления вихревойструктуры в распределении ЭМП вблизи металлизированного наноцилиндра, врассмотренной модели, являться возбуждение циркулярных поверхностных плазмонов. Результаты теоретического иссле- Рис. 7. Распределение тангенцидования качественно согласуются с фак- альной компоненты Sx(s) векторатом обнаружения методом СОМБП спи- Пойнтинга на металлической поралевидного распределения интенсивно- верхности в функции безразмерсти электромагнитного поля в непосред- ного радиуса qs ρ и полярного угла.ственной близости от металлизированных наноцилиндров.В заключительной части главы представлены результаты применения созданного комплекса СОМБП для экспериментального исследованиякластеризации люминесцентного красителя ROT-300 (BASF) и красителяDCM в полимерных пленках с оптическим разрешением, много меньшимдлины волны излучения накачки λ = 532 нм и длины волны излучениялюминесценции λROT −300 = 605 нм, λDCM = 590 нм.Изучаемые пленки формировались путем спинингования на подложке из стекла и полиметилметакрилата (ПММА).

В эксперименте использовался модуль СОМБП со сканированием образцом (рис. 2(б)) в режимесбора излучения люминесценции с помощью высокоапертурного (N.A.=0.6)микрообъектива. Возбуждение люминесценции осуществлялось локально с помощью апертурного зонда. Средняя толщина пленок составляла100 ÷ 200 нм. На основе статистического анализа серии изображений было показано, что характерный размер образующихся кластеров составляетоколо 150 нм, что значительно меньше длины волны в максимуме спектралюминесценции.В качестве контрольных измерений проводились исследования покрытых монослоем люминофора ROT-300 сферических стеклянных частиц, наносимых на поверхность стекла или ПММА.

Размер сферическихчастиц выбирался в диапазоне 20 ÷ 200 нм. При этом для выбранной фракции функция распределения частиц по размерам являлась одномодальной,20Рис. 8.Топографическое-(а) и ближнепольно-оптическое люминесцентноеизображение-(б), экспериментального люминесцентного носителя информациина основе DVD диска. (в,г)-сечения вдоль указанных стрелками на (а) и (б)направлений. Длина волны накачки λ = 532 нм, длина волны люминесценцииλlum = 605 нм.по форме напоминающая гауссову. Полуширина пика распределения частиц по размерам составляла обычно около 70 нм.

Подобный выбор контрольного объекта позволял с высокой степенью приближения создаватьструктуры, имеющие характерные размеры неоднородностей в оптическомотклике, близкие к предполагаемым для сплошных пленок (т.е. много меньших, чем длина волны излучения). Распределение интенсивности люминесценции сферических наночастиц было получено с использованием двухпроходной методики сканирования по плоскости на расстоянии z = 5 нмот максимально высокого объекта на топографическом изображении. Исходя из проведенного в диссертации анализа сечений полученных СОМБПизображений сферических наночастиц, оценена оптическая разрешающаяспособность СОМБП, которая составила 25 ÷ 30 нм, при использованиисобственных апертурных зондов.В заключении приведен результаты исследований поведения люминофоров в экспериментальных носителях для создания трехмерной оптической памяти на основе мультислоев, состоящих изначально из неперемешанных люминофоров и гасителей люминесценции.

Регистрация и хранение информации в таких слоях осуществляется за счет локализации люминесцентного красителя в рельефных углублениях в носителе информации.Увеличение емкости носителя (по оценкам до 1000 Гб на носителе формата DVD) достигается путем наращивания слоев с локализованным люминофором. Результаты исследования топографии и распределения люминесценции красителя ROT-300 в одном слое экспериментального носителяинформации на основе DVD диска представлены на рис. 8.21Глава 4 посвящена анализу и разработке поляризационной методикиСОМБП, сочетающей в себе статическую и динамическую поляриметриюближнего поля с использованием созданного диагностического комплексаСОМБП.

Для экспериментального исследования локальных поляризационных свойств ЭМП вблизи поверхностных субмикро- и наноструктур разработаны и созданы узлы, адаптирующие созданную аппаратуру СОМБПдля локальной оптической статической и динамической поляризационноймикроскопии ближнего поля.Как было показано в предыдущей главе, СОМБП предоставляет уникальные возможности по изучению локальной трехмерной структуры ЭМПв непосредственной близости поверхностных наноструктур. В сочетании сними применение поляризационной методики СОМБП для анализа локальной поляризационной структуры ЭМП существенно расширяет возможности созданного комплекса. Примером реализации такого рода возможностей являются результаты по экспериментальному определению локализации ортогонально поляризованных компонент ЭМП оптической частоты внепосредственной близости от апертуры субдлинноволнового размера (см.рис.

9). Апертуры субдлинноволнового размера были сформированы путемтермического напыления алюминия на заготовки экспериментальных компакт дисков, имевших увеличенную до h = 500 нм глубину питов-носителейинформации. Напыление проводилось под углом около α = 35◦ по отношению к плоскости заготовки, с одновременным ее вращением вокруг своейоси. Толщина металлической пленки составляла 100 ÷ 150 нм. В результате такого напыления были сформированы одиночные отверстия диаметромменьше длины волны, расположенные на расстояниях, значительно превышающих их диаметры.Поляризационные СОМБП исследования полученных образцов проводились в режиме проходящего света при освещении со стороны подложкипараллельным, линейно поляризованным лазерным лучом (длина волныλ = 670 нм, оптическая мощность 3 мВт).

В связи с поставленной задачейисследования использовался модуль СОМБП со сканированием зондом врежиме статической поляризационной микроскопии ближнего поля. Оптические СОМБП изображения регистрировались в режиме постояннойвысоты на высоте 20 нм над поверхностью образца.СОМБП изображения, полученные при изучении распределенияЭМП в непосредственной близости от отверстия, представлены на рис. 9.Результаты экспериментального изучения распределения интенсивностиразлично поляризованных компонент электромагнитного поля оптической частоты, поляризованных параллельно (рис.

9(б)) и перпендикулярно(рис. 9(в)) поляризации излучения подсветки (рис. 9(а)), показали качественное различие в локализации этих компонент в непосредственной близости от апертуры субдлинноволнового размера в металлической пленке.Кроме того, значительная интенсивность электромагнитного поля с поляризацией, ортогональной поляризации излучения подсветки, показываетна существенный вклад нерадиационных компонент в интегральную ин-22Рис.

9.Топографическое изображение-(а) поверхности металлической пленки, на которой сформированы субдлинноволновые апертуры, и СОМБП изображения различно поляризованных компонент ЭМП для того же участка-(б,в).(г)-сечения СОМБП изображений в направлениях, указанных стрелками . Ориентация анализатора относительно поляризации падающего излучения: (б)параллельно; (в)-перпендикулярно.тенсивность. Подобные результаты находятся в хорошем качественном соответствии с теоретическими предсказаниями [14].Совершенствование магнитных устройств, предназначенных для хранения информации, невозможно без детального изучения ферромагнитных и ферримагнитных сред, а именно пленок, являющихся основой такихустройств.

Тонкие пленки на основе феррит-гранатов являются одними излучших на сегодняшний день магнитооптических материалов, что обусловлено их высокой прозрачностью для видимого и ближнего ИК-диапазонов,значительной величиной эффекта Фарадея и большим значением коэффициента оптической добротности.

Тонкие пленки Bi-содержащих ферритгранатов также представляют большой интерес для создания миниатюрных высокочувствительных оптических датчиков измерения магнитныхполей на основе эффекта Фарадея с чувствительностью вплоть до 0.1 Гс.Традиционными методами наблюдения доменной структуры являются оптический метод порошковых фигур, а также методы поляризационной оптической микроскопии, основанные на использовании магнитооптических эффектов Фарадея, Коттона-Мутона, Керра, кругового магнитногои линейного магнитного дихроизмов. В последнее время все большее применение для изучения магнитной структуры находит магнитная силоваямикроскопия (МСМ).

Несмотря на многие достоинства МСМ, присутствиемагнитного зонда вблизи изучаемой структуры делает необходимым учет23Рис. 10.Поляризационные оптические СОМБП изображения Bi-содержащейэпитаксиальной пленки феррита-граната, полученные при использовании апертурного зонда в качестве коллектора излучения. Ориентация поляризаторов была выбрана таким образом, чтобы обеспечить раздельное наблюдение имаксимальный контраст: доменных стенок-(а); доменов с противоположнойнамагниченностью-(б, в).

Толщина пленки феррита-граната 0.55 мкм, длина волны накачки λ = 532 нм.воздействия зонда на локальную магнитную структуру образца, и наоборот. Поляризационная СОМБП предоставляет уникальную возможностьсочетания традиционного метода поляризационной оптической микроскопии с возможностями сверхразрешения ближнепольной микроскопии приисследовании локальных магнитооптических эффектов.В первой серии экспериментов по изучению эффекта Фарадея в пленках ферритов-гранатов использовалась схема статического поляризационного СОМБП. В качестве объектов исследования были выбраны эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов толщиной h = 2 ÷ 10 мкм на подложке из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ), имеющие фарадеевский уголвращения плоскости поляризации света ϕ = 1 ÷ 4◦ .