Локальная оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля для исследования оптических свойств поверхностных наноструктур (1103540), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Типичные значения резонансной частоты ККР с приклееным оптическим волокном составляют fp = 31.5 ÷ 32.5 кГц. При этомдобротность уменьшается для резонансного пика на частоте, близкой кf0 до величины Qp = 300 ÷ 1500. Чувствительность ККР с резонанснымпреобразователем-усилителем, определенная путем независимого детектирования амплитуды резонансных колебаний ветви ККР с приклеенным зондирующим волокном с помощью оптической схемы, составила Slc = 6 В/нмдля резонанса в районе f0 .
Так например, при амплитуде колебания конца зондирующего острия x0 = 5 Å соотношение сигнал/шум составляетS/N = U0 /Un = 130. Для оценки минимальной силы квазитрения FSF ,при которой возможна устойчивая работа созданного датчика, использовался простой способ, предложенныйв работе [12]. Оцененная по формуле√FSF = (1 − U0 /U )kx0 /Qp 3 минимально-возможная сила детектированиядля созданного датчика составила 0.4 нН для соотношения стартовой иудерживаемой амплитудой колебаний зондирующего острия U0 /U = 95%.Представленные на рис. 4(б) результаты изучения топографии свежесколотой поверхности (0001) высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) демонстрируют высокую разрешающую способностьсозданной системы.
Результаты получены с использованием модуля сосканированием зондом (рис. 4), работавшего в режиме атомно-силовогомикроскопа. В качестве зондирующего острия использовалось заостренное оптическое волокно. Из рис. 4(б,в) видно, что чувствительность системы контроля расстояния между зондом и образцом лучше, чем 0.3 нм и15достаточна для разрешениямоноатомныхступеней на поверхности ВОПГ. Это, в своюочередь,достаточнодля реализации всехизвестныхметодикСОМБП, включая безапертурную СОМБП. Вто же время сканирующая система наряду свысокой разрешающейспособностью обладаетбольшим динамическимдиапазоном и способнареализовывать растры Рис.
4. Топографические изображения поверхностисканирования от сотен заготовки стандартного DVD диска-(а) и поверхнонанометров до 30 мкм сти (0001) ВОПГ-(b). Изображения получены с податчика силы квазитрения в составе модуля(в случае СОМБП со мощьюсо сканированием зондом. (в)-сечение вдоль направлесканированием зондом ния, указанного стрелкой.рис. 4(а)) и 50 мкм (вслучае СОМБП со сканированием образцом), при этом сохраняя необходимое топографическое разрешение, что в свою очередь дает возможностьодновременно сочетать в одном приборе преимущества методики СОМБПи атомно-силовой микроскопии.В заключении главы приводится ряд оригинальных экспериментальных результатов, полученных с помощью созданного СОМБП, в которыхпродемонстрирована высокая разрешающая способность каждого из модулей СОМБП и продемонстрирован широкий спектр возможностей по использованию созданного диагностического комплекса СОМБП.Глава 3 посвящена исследованию трехмерного распределения ЭМПметодом СОМБП вблизи наноструктур, а так же изучения локальных люминесцентных свойств тонких полимерных пленок с внедренным красителем.В начале главы описывается разработанная и реализованная методика трехмерного картирования распределения интенсивности ЭМП надисследуемыми объектами.
Описан ряд экспериментов по изучению локального трехмерного распределения ЭМП вблизи искусственно созданных периодических и неупорядоченных наноструктур, представляющих из себяполимерные и полимерно-металлизированные наноцилиндры (рис. 5(а)).В первой серии экспериментов изучалось взаимодействие поляризованного оптического излучения с полимерными наноцилиндрами. Для этойцели использовался модуль СОМБП со сканированием зондом и плоско поляризованное лазерное излучение с длинной волны λ = 532 нм и мощностью 10 мВт.
В качестве субдлинноволнового коллектора оптического излу-16Рис. 5.Изображение полимерного наноцилиндра полученное на электронномрастровом микроскопе-(а), и СОМБП изображение трехмерного распределенияинтенсивности ЭМП вблизи полимерного наноцилиндра- (б-ж). СОМБП изображение представляет собой набор двумерных распределений интенсивностина заданных расстояниях от вершины наноцилиндра: (б)-5 нм; (в)-20 нм; (г)100 нм; (д)-300 нм; (ж)-700 нм. Длина волны накачки λ = 532 нм. СОМБП изображение получено в режиме сбора оптического излучения апертурным зондом.чения при изучении трехмерного распределения ЭМП использовался апертурный зонд на основе одномодового оптического волокна.
Образцы былиизготовлены методом двойной репликации с кремниевой матрицы, полученной с помощью электронно-лучевой литографии и представляли собоймассивы полимерных наноцилиндров, расположенных друг от друга на расстоянии 10 мкм. Полимерные наноцилиндры высотой 980 нм и диаметром300 нм были сформированы на гладкой полимерной подложке толщиной0.6 мм. Возбуждающее слабо расходящееся излучение направлялось нормально к поверхности со стороны противоположной той, на которой располагались наноцилиндры, проходило через прозрачную подложку и, взаимодействуя с наноцилиндрами, формировало стационарную картину распределения ЭМП вблизи наноцилиндров. Результаты, полученные с помощьюметодики изучения трехмерного распределения ЭМП в заданном объеменад вершинами наноцилиндров представлены на рис.
5(б-ж). Изображения представляют собой плоские двумерные распределения интенсивностиЭМП, полученные в результате сечения по плоскости 3-х мерного распределения ЭМП на выбранных относительно вершины наноцилиндра высотах:5 нм; 20 нм; 100 нм; 300 нм; 700 нм, рис. 5(б-ж) соответственно. Для полимерных наноцилиндров наблюдалось значительное усиление(до 10 раз от-17носительно интенсивности падавшего излучения) локального ЭМП вблизивершины наноцилиндра, зависящее от высоты зондирующего острия надповерхностью наноцилиндра.Полученные с помощью СОМБП экспериментальные результатысравнивались с результатами расчетов распределения ЭМП, проведенныхс помощью решения уравнений Максвелла методом конечных разностейво времени (в иностранной литературе - Finite-Difference Time-Domain(FDTD) алгоритм) [13]. Метод расчета основан на прямом численном решении полной векторной системы уравнений Максвелла во времени и позволяет не только вычислить распределение светового поля, но и учесть влияние"возмущающего"действия оптического зонда микроскопа ближнего поля.В результате численных расчетов, выполненных на кафедре общей физикии волновых процессов физического факультета МГУ им.
М.В. Ломоносова, было подтверждено полученное экспериментальными методами десятикратное увеличение интенсивности ЭМП вблизи вершины наноцилиндра,связанное с дифракционной локализацией света внутри полимерного наноцилиндра, а также было установлено, что поле внутри наноцилиндра имеетинтерференционную структуру, образующуюся в результате отражения отверхнего и нижнего края наноцилиндра. Поле вне наноцилиндра экспоненциально затухает во все стороны. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов, проведенное в диссертации, показало качественноеи количественное совпадение полученных результатов, что наглядно доказало возможность использования разработанной методики как надежногоинструмента для изучения трехмерного распределения электромагнитногополя вблизи наноструктур с оптическим разрешением вплоть до десяткананометров.Во второй серии экспериментов, проводилось исследование распределения электромагнитного поля (по такой же методике как в случаеполимерного наноцилиндра) вблизи металлизированных наноцилиндров,покрытых пленкой из золота и палладия (Au-Pd) толщиной 25 нм (см.рис.
5(а)). Металлизация осуществлялась с помощью ионно-плазменногонапыления, что обеспечивало однородность металлического покрытия (вчастности - отсутствие эффекта оттенения, характерного для термическогонапыления). В процессе изучения трехмерного распределения ЭМП с помощью СОМБП вблизи металлизированных наноцилиндров был впервыеобнаружен эффект формирования оптического вихря, возникающего припрохождении поляризованного монохроматического света через подобныенаноструктуры. Типичные результаты, полученные при изучении металлизированных наноцилиндров представлены на рис. 6.
Изображения представляют собой двумерные распределения интенсивности ЭМП, взятые навыбранных относительно вершины наноцилиндра высотах: 20 нм; 300 нм;700 нм, рис. 6(а-в) соответственно. Вихревые структуры ЭМП наблюдались над каждым металлизированным наноцилиндром и на любых высотах вплоть до 700 нм. Спиральная симметрия ЭМП оптической частотытакого типа вблизи наноструктур наблюдалась впервые. Поскольку дан-18Рис. 6.СОМБП изображение трехмерного распределения интенсивностиЭМП вблизи полимерного наноцилиндра, покрытого пленкой Au-Pd толщиной25 нм.
СОМБП изображение представляет собой набор двумерных распределений интенсивности на заданных расстояниях от вершины наноцилиндра: (a)20 нм; (б)-300 нм; (в)-700 нм. Длина волны накачки λ = 532 нм. СОМБП изображение получено в режиме сбора оптического излучения апертурным зондом.ный тип симметрии наблюдался при проведении измерений с различнымиапертурными зондами, спиральность не может быть связана с особенностями какого-либо конкретного зонда и является особенностью, характернойдля системы апертурный зонд-металлизированный наноцилиндр.Для теоретического описания полученных выше экспериментальныхрезультатов рассмотрена качественная модель с использованием упрощенного подхода теории возмущений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
