СЗМ (1027633), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Контраст наБОМ изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения ирассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойствобразца.Зонды БОМ на основе оптического волокнаНа сегодняшний день существует несколько схем реализации ближнепольногооптического микроскопа. Наиболее широкое применение нашли БОМ с зондами наоснове оптического волокна, представляющего собой аксиально-симметричныйоптический волновод из материалов с отличающимися показателями преломления(рис.97).Рис. 97.
Схематическое изображение строения оптического волокна103Оптическое волокно состоит из сердцевины (core) и оболочки (cladding).Снаружи волокно покрывается защитным слоем. Сердцевина и оболочкаизготавливаются, как правило, из особого кварцевого стекла. При этом стекло,используемое для оболочки, имеет меньший показатель преломления, чем стекло длясердцевины. (На практике показатель преломления стекла регулируется с помощьлегирующих добавок, так что коэффициенты преломления сердцевины и оболочкиразличаются на величины порядка 1%). Такая система, вследствие явления полноговнутреннего отражения, позволяет локализовать оптическое излучение в областисердцевины и практически без потерь транспортировать его на большие расстояния.Зонды для БОМ изготавливаются следующим образом [см.
например 49].Очищенный от защитного слоя конец оптического волокна погружается в раствор,состоящий из двух несмешивающихся жидкостей – смеси HF, NH4F, H2O, котораяявляется травителем для кварца, и жидкости с меньшей плотностью, например,толуола. Толуол располагается поверх травителя и служит для формирования менискасмачивания на границе толуол-травитель-волокно (Рис.
98 (а)). По мере травлениятолщина волокна уменьшается, что приводит к уменьшению высоты мениска. Врезультате в процессе травления на конце волокна происходит формированиеконусообразного острия (рис. 92 (б)) с характерными размерами меньше 100 нм. Затемкончик зонда покрывается тонким слоем металла. Покрытие наносится с помощьювакуумного напыления под углом порядка 30º к оси волокна, так что на кончике острияв области тени остается незапыленный участок малой апертуры, который и являетсяближнепольным источником излучения.
Оптимальный угол при вершине зондовсоставляет порядка 20º .металлтолуолHF+NH4F+H2O(а)(б)(в)Рис. 98. Изготовление БОМ зондов на основе оптического волокна:(а) –химическое травление волокна;(б) – вид кончика волокна после травления;(в) – напыление тонкой пленки металла.104Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопии"Shear-force" метод контроля расстояния зонд-поверхность в ближнепольномоптическом микроскопеДля работы БОМ необходимо удерживать зонд над поверхностью нарасстояниях порядка 10 нм и менее.
Существуют различные решения даннойпроблемы, однако наиболее широкое распространение получили БОМ с такназываемым "shear force" методом контроля расстояния между зондом и образцом.ПьезовибраторЗондA0 Sin(ωt)КварцевыйрезонаторU(t)КлейРис. 99. Схема “shear-force” датчика расстояния зонд-поверхностьна основе кварцевого резонатора камертонного типаЧаще всего применяются схемы "shear-force" контроля с использованиемпьезодатчика на основе кварцевого резонатора камертонного типа (рис.
99.). Зонд БОМкрепится к кварцевому резонатору с помощью клея. Вынужденные колебаниякамертона на частоте, близкой к резонансной частоте системы зонд - кварцевыйрезонатор, возбуждаются с помощью дополнительного пьезовибратора. При этом зондсовершает колебательное движение параллельно поверхности образца. Измерение силывзаимодействия зонда с поверхностью производится посредством регистрацииизменения амплитуды и фазы изгибных колебаний кварцевого резонатора на частотевозбуждения (по переменной составляющей напряжения на электродах резонатораU(t)).
Теория "shear force" контроля достаточно сложна, и здесь мы ограничимся лишькачественными соображениями. При сближении зонда и образца наблюдаютсянесколько эффектов. Во-первых, появляется дополнительное диссипативноевзаимодействие зонда с поверхностью за счет сил вязкого трения (в тонкой прослойкевоздуха, прилегающего к поверхности, и в тонком слое адсорбированных молекул наповерхности образца).105СлойадсорбатаrFdrFdРис.
100. Диссипативные силы, действующие на зонд, и смена моды колебаний зондавблизи поверхности образца.Это приводит к уменьшению добротности системы, а следовательно, куменьшению амплитуды колебаний и уширению АЧХ И ФЧХ системы зонд-резонаторна резонансной частоте. Во-вторых, при малых расстояниях зонд-поверхностьпроисходит изменение моды колебаний в системе зонд – резонатор. В свободномсостоянии мода колебаний соответствует колебаниям стержня со свободным концом, апри сближении с образцом (в пределе при касании зонда поверхности) переходит вколебания стержня с закрепленным концом.
Это приводит к увеличению резонанснойчастоты в системе зонд-резонатор, т.е. сдвигу АЧХ в сторону более высоких частот.Экспериментально данные явления наблюдались в работах [50,51]. Измененияамплитуды и фазы изгибных колебаний в системе зонд-резонатор используются вкачестве сигналов обратной связи для контроля расстояния зонд-поверхность вближнепольных оптических микроскопах.Конфигурации БОМНа практике используются несколько конструктивных схем ближнепольногооптического микроскопа [52]. Основные конфигурации БОМ показаны схематичнона рис.
101. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазералокализуется в пространстве с помощью волоконного зонда. Такая схема позволяетполучить максимальную мощность излучения в области субволнового отверстия ипроводить исследование образцов как на отражение (рис. 101 (а)), так и на просвет(рис. 101 (б)). Для увеличения чувствительности излучение, отраженное от образца илипрошедшее сквозь образец, собирается на фотоприемнике с помощью фокусирующегозеркала или линзы. Кроме того, данная конфигурация БОМ широко используется вэкспериментах по ближнепольной оптической литографии.В экспериментах, когда требуются высокие уровни оптической накачки (как,например, при исследовании локальных нелинейных свойств образцов), реализуетсясхема, в которой мощное лазерное излучение направляется на исследуемую структуру,а прием осуществляется с помощью ближнепольного зонда (рис.
101 (в), (г)).106Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииЛазерЛазерФотодетекторФотодетектор( а)Фотодетектор(б)ФотодетекторЛазерЛазер(в)(г)Рис. 101. Возможные конфигурации ближнепольного оптического микроскопаНа рис. 102 в качестве примера приведено АСМ / БОМ изображениеполупроводниковой структуры InAs/GaAs с квантовыми точками, полученное спомощью микроскопа, работающего по схеме, показанной на рис. 101 (а) [12].Рис.
102. “Shear force” АСМ изображение рельефа поверхности (слева) и ближнепольноеоптическое изображение (справа) образца с квантовыми точками InAs [12]107В эксперименте использовался HeCd лазер (λ=442 нм). Ближнепольноеоптическое изображение образца представляет собой совокупность отраженного отповерхности образца излучения и люминесцентного излучения, соответствующегопереходу между уровнями размерного квантования в InAs точках.Интересная, но менее распространенная схема, в которой возбуждениеструктуры и прием ближнепольного излучения осуществляются через зондмикроскопа, приведена на рис. 103.ЛазерФотодетекторРис.
103. Схема БОМ, в котором засветка образца и прием излученияосуществляются с помощью одного и того же зондаТакое совмещение ближнепольного источника с ближнепольным приемникомявляется весьма многообещающим методом, обеспечивающим очень высокоепространственное разрешение. Однако в данной схеме излучение дважды проходитчерез субволновое отверстие. Это приводит к тому, что приходящий на фотоприемниксигнал имеет очень низкую интенсивность, и требуются высокочувствительные методыего регистрации. Сопряжение БОМ с оптическим монохроматором позволяетпроводить локальные спектроскопические исследования образцов.
Основные областиприменения ближнепольных оптических микроскопов - это исследование локальныхоптических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых фоточувствительныхструктур, исследование биологических объектов, нанотехнология.ЗаключениеТаким образом, в данном пособии кратко изложены основы сканирующейзондовой микроскопии – одного из самых современных методов исследования свойствповерхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
