Локальная оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля для исследования оптических свойств поверхностных наноструктур (1103540), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Исследование поведения ортогонально поляризованных компонентЭМП вблизи субмикронных (d ' 50 ÷ 150 нм) отверстий, сформированных в металлической пленке алюминия.Научная новизна• Впервые создан комплекс диагностического оборудования модульной конструкции (разделенный по принципу сканирования) для комплексного исследования абсорбционных, спектральных, люминесцентных и поляризационных оптических свойств систем пониженнойразмерности с оптическим разрешением ∼ 30 нм, реализующий всеизвестные режимы работы СОМБП.• Впервые с использованием поляризационного СОМБП проведеноизучение пространственного распределения ортогонально поляризованных компонент электромагнитного поля вблизи одиночной апертуры диаметром d = 100 нм (сформированной в пленке Al толщиной75 нм) и показано качественное различие в локализации ближнепольных составляющих этих компонент.• Методом СОМБП проведено экспериментальное исследование люминесцентного красителя в полимерной пленке с оптическим разрешением D ∼ 30 нм.
Впервые показано, что краситель располагается впленке-носителе не равномерно, а обладает свойством кластеризациис характерным масштабом 150 нм.• Предложена методика изучения трехмерного распределения электромагнитного поля вблизи объектов нанометровых размеров. Для демонстрации больших потенциальных возможностей предложенногометода исследования проведено изучение трехмерного распределенияЭМП вблизи одиночных наноструктур, представлявших собой периодически расположенные наноцилиндры с коническим основанием.• Впервые методом СОМБП обнаружен эффект формирования ЭМПсо спиральной структурой, возникающих при прохождении через полимерные наноцилиндры, покрытые тонкой металлической пленкой.7• Рассмотрена теоретическая модель, описывающая возникновениевихревых оптических структур, причиной которых является возбуждение циркулярных поверхностных плазмонов.Научная и практическая ценностьВ настоящей работе разработан и создан диагностический комплексСОМБП, который послужил прототипом для создания коммерческого прибора для исследования оптических свойств поверхности и поверхностныхнаноструктур методом СОМБП.
Коммерческий вариант прибора поставлен по межгосударственному соглашению в Международный ЛазерныйЦентр (МЛЦ) г. Братиславы, Словацкая Республика (Контракт №1/99-Вот 18.06.1999 между МЛЦ МГУ и МЛЦ г. Братиславы).Разработанная методика изучения трехмерного распределения ЭМПможет использоваться для исследования как фундаментальных процессоввзаимодействия оптического излучения с наноструктурами, так и для контроля и анализа оптических свойств элементов наноэлектроники таких каклазерные диоды, элементы оптической памяти, фотонные кристаллы и др.Обнаруженный эффект формирования оптических вихревых распределений ЭМП вблизи металлизированных объектов субмикронного масштаба и разработанная теоретическая модель дают новые фундаментальные знания об особенностях взаимодействия оптического излучения с объектами, масштабы которых сравнимы или меньше длины волны оптического излучения.Впервые показана возможность анализа поляризации оптического излучения, провзаимодействовавшего с исследуемым объектом в режиме собирающего СОМБП на примере визуализации магнитной доменной структуры в пленках ферритов-гранатов, что позволяет применять эту методикудля исследования магнитооптических эффектов в тонких пленка.Положения, выносимые на защиту1.
Создание комплекса диагностического оборудования СОМБП для исследования абсорбционных, спектральных, люминесцентных и поляризационных оптических свойств наноструктур с пространственнымоптическим разрешением D ≤ 30 нм, значительно превышающимдифракционный предел, и возможность реализации всех известныхна сегодняшний день режимов работы СОМБП (11 режимов работы,включая апертурные и безапертурные режимы СОМБП).2.
Развитие метода поляризационного СОМБП и изучение пространственного распределения ортогонально поляризованных компонентэлектромагнитного поля вблизи апертур субдлинноволнового размера (d = 100 нм), сформированных в металлической пленке.3. Разработка методики трехмерного картирования ЭМП вблизи одиночных или упорядоченных субмикро и наноструктур.
Изучениетрехмерного распределения ЭМП вблизи одиночных наноструктур,представлявших собой периодически расположенные полимерные иметаллизированные наноцилиндры.84. Обнаружение методом СОМБП эффекта оптического вихря вблизиметаллизированных объектов субмикронного масштаба.5. Изучение методом СОМБП магнитного кругового двулучепреломления (эффекта Фарадея) в тонких пленках Bi-содержащих ферритовгранатов с помощью анализа поляризации, прошедшего через образецизлучения и локально собранного апертурным зондом.Обоснованность и достоверность результатовРезультаты, представленные в диссертации, получены на основе многократно повторенных экспериментов, проведенных на современном научном оборудовании с использованием современных методов обработки экспериментальных данных.
Экспериментальные данные сравнивались с теоретическими расчетами, основанными на адекватно выбранных физическихмоделях анализируемых процессов, а так же с результатами других групписследователей. Результаты этих экспериментов неоднократно обсуждались на семинарах и докладывались на специализированных конференцияхпо проблемам, связанных с тематикой диссертационной работы. Большаячасть результатов опубликована в международных и российских научныхжурналах.
Это позволяет считать все полученные результаты обоснованными и достоверными, а так же полностью отвечающими современномумировому уровню исследований. Большинство представленных результатов являются новыми и получены впервые.Апробация работыРезультаты работы неоднократно докладывались и обсуждались наРоссийских и международных конференциях, основные из которых: всероссийское совещание "Зондовая микроскопия - 1999, 2000, 2001", НижнийНовгород, Россия, 1999, 2000, 2001; 8-й, 11-й, 13-й и 14-й международныесимпозиумы "Nanostructures: Physics and Technology", Санкт-Петербург,Россия, 2000, 2003, 2005, 2006; российско-французский семинар "LesDirections Modernes en physique laser: spectroscopie, les effects quantiques etl’optique atomique, les reprentations optiques et l’information", ВладимирСуздаль, Россия, 2001; 11-й международный семинар "Laser PhysicsWorkshop (LPHYS’02)", Братислава, Словакия, 2002; 1-й международныйнаучный семинар "Optical Micro- and Nanotechnologies"(OMaN-1), СанктПетербург, Россия, 2002; международный симпозиум "Intensive Laser Actionand Technological Applications"(ILATA-III) / "X Int.
Conf. Laser-assistedMicro- and Nanotechnologies"(LAM-X), Санкт-Петербург, Россия, 2003;международная конференция "Micro- and Nanoelectronics"(ICMNE-2003,ICMNE-2005), Звенигород, Россия, 2003, 2005.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 33 научные работы из которых 18- тезисы докладов на конференциях и 15 - статей в ведущих российских изарубежных реферируемых журналах: "Письма в ЖЭТФ"; "Наукоемкиетехнологии"; "International Journal of Nanoscience"; "Applied Physics B";9"Physics of Low-Dimensional Structures"; и др. (список основных публикацийприведен в конце автореферата).Личный вклад автораОпределение цели работы и выбор методов исследования осуществлены автором совместно с д.ф.-м.н. профессором В.И.
Пановым.Все результаты, представленные в диссертационной работе, полученыавтором лично, либо при его непосредственном участии.Структура и объем диссертационной работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спискалитературы. Объем работы составляет 169 страниц, включая 71 рисунок.Список литературы содержит 124 наименований.Во введении дается общая характеристика диссертации: обоснована актуальность темы; сформулированы цели работы, научная новизнаи практическая ценность полученных результатов; перечислены основныеположения, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации результатов, основных публикациях, объеме и структуре работы.В главе 1 рассмотрены основные физические принципы, положенныев основу метода СОМБП, показано преимущество методов построения оптического изображения объектов, использующих ближнее оптическое полепо сравнению с классическими методами.
В параграфе 1.1 рассматриваются особенности построения дальнепольних и ближнепольных оптическихизображений с точки зрения фурье-оптики. Отмечено, что с помощью оптической микроскопии ближнего поля становится возможным преодолетьдифракционный предел, лимитирующий разрешающую способность классических оптических приборов. Показано, что на сегодняшний день максимальное оптическое пространственное разрешение, достигнутое с помощьюСОМБП, составляет 1 нм [10] при длине волны используемого излучения633 нм.Структура электромагнитного поля субдлинноволновой апертуры,как ключевого элемента СОМБП, рассмотрена в параграфе 1.2. На основании решения электродинамической задачи Бете [11] показано, что зависимость интенсивности оптического излучения, прошедшего через апертуру(диаметром d ¿ λ) в металлическом экране, экспоненциально зависит отрасстояния до экрана, приведены теоретические и экспериментальные подтверждения данного факта.
В параграфах 1.3, 1.4 рассмотрены вопросы,касающиеся пространственной разрешающей способности оптической микроскопии ближнего поля, и показано, что сверхразрешение не вступает впротиворечие с принципом неопределенности Гейзенберга.Далее, в параграфе 1.5 рассмотрены все известные на сегодняшнийдень механизмы формирования СОМБП изображений, в частности рассмотрены различные схемы работы СОМБП как в апертурных, так и вбезапертурных режимах работы. Отмечены физические задачи, которыемогут быть решены с помощью одного из рассмотренных режимов работы10Рис. 1.Схематическое изображение устройства СОМБП модульной конструкции, функционально разделенного по принципу сканирования: (а)-схемафункционирования СОМБП со сканированием образцом; (б)-схема функционирования СОМБП со сканированием зондом.СОМБП, а так же отмечены основные преимущества и недостатки каждойсхемы работы СОМБП.Большое внимание в данной главе уделено возможностям СОМБПпри исследовании оптических свойств наноструктур с разрешением значительно превышающим дифракционный предел, в том числе методом локальной оптической поляриметрии сверхвысокого пространственного разрешения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
