2
Введение..............................................................................4
Общие принципы........................................................................4
Схемы экспериментов.................................................................6
Теория................................................................................7
Анализ рассеяния света объектом и собирания иглой...................................7
Решение обратных задач при восстановлении источника.................................9
Технические аспекты сканирующих систем...............................................10
Особенности взаимодействия иглы с образцом.........................................10
Системы сканирования и обратная связь..............................................10
Измерительные приложения микроскопии ближнего поля.................................11
“Квази классические” изображения................................................11
Регистрация “полей утечек”......................................................13
Спектроскопия люминесценции молекул.............................................15
Комбинационное рассеяние........................................................16
Использование БЫОМ для записи/считывания информации с высокой пространственной
плотностью.........................................................................16
Выводы.............................................................................17
Глава 1. Конструкции апертурных БЫ ОМ - приборов с заданием рабочей области отверстием
на игле..............................................................................19
Сканирующие иглы...................................................................19
Изготовление зондирующих игл в описываемой работе..................................24
Сканирующие системы БЫОМ...........................................................25
Низкотемпературная система 8Ж)М с «теплым» сканером................................46
Температура кантилсвера низкотемпературного БЫОМ...................................61
Сканирующий конфокальный микроскоп на основе вакуумированной низкотемпературной
системы БКОМ.......................................................................67
Температура облучаемой области образца в волоконном 8140М..........................69
Глава 2. Экспериментальные применения 8ЫОМ, использующего заостренные
оптоволоконные иглы..................................................................72
Полупроводниковые структу ры.......................................................72
Прямое наблюдение явлений переноса в квантовом слое................................78
Спектроскопия выделенной иглой 81МОМ квантовой точки при низкой температуре 84
Распределение светового поля в микрорезонаторе, наблюдаемое на сколе структуры 88
Альтернативные методы выделения одиночной квантовой точки для спектроскопии 89
Выводы по главе....................................................................95
Глава 3. Бсзапертурный интерференционный микроскоп рассеяния ближним оптическим
полем иглы (я-БМОМ, 8ШМ).............................................................97
Физические принципы работы микроскопа рассеяния иглой..............................97
3
Особенности оптических схем интерферометрического выделения сигнала
ближнепольного рассеяния иглой.....................................................100
Конструкция сканирующей головки SNOM ближнепольного рассеяния иглой................103
Характеристики изготовленной сканирующей головки sSNOM.............................107
Выводы по главе....................................................................111
Глава 4. Изображение пространственного распределения диэлектрической проницаемости
поверхности с помощью s-SNOM.........................................................112
Рассеяние света в видимом диапазоне иглой над димерами плазмон-активных
металлических нанодисков на диэлектрической подложке...............................112
Изображение в режиме sSNOM скола кремниевых транзисторных структур в среднем ИК-
диапазоне рабочих длин волн........................................................120
Выводы по главе. Возможность контрастного изображения прибором sSNOM материалов
с различными диэлектрическими свойствами...........................................124
Глава 5. Визуализация надповерхностного электромагнитного поля с помощью s-SNOM.. 126 Общие физические принципы распространения, возбуждения и регистрации
поверхностных фонон-поляритонных волн в полярных кристаллах........................126
Возбуждение и наблюдение бегущей фонон-поляритонной волны на поверхности SiC в
области частот решеточного резонанса кристалла.....................................129
Закон дисперсии (зависимость наблюдаемой длины волны от частоты) наблюдаемых
поверхностных фонон-поляритонных волн..............................................134
Распределение амплитуды электромагнитного поля над поверхностью SiC в присутствии
экранирующей возбуждающее излучение металлической маски............................142
Выводы по главе....................................................................154
Глава 6. Системы управления сканированием, поддержанием режима контакта игла-образец
и сбором сигнала.....................................................................156
Предусилитель сигнала пьезоэлемента задания вибрации иглы с электронной коррекцией
добротности и емкости пьезоэлемента................................................162
Электронный блок управления СКАН-10 микроскопом сканирующего зонда.................171
Программирование управляющих экспериментом систем..................................183
Основные результаты и выводы.........................................................187
Выводы...............................................................................188
Список публикаций по теме диссертации................................................190
Благодарности........................................................................194
Цитируемая литература................................................................195
4
Введение
Среди экспериментальных методик исследования поверхности, развившихся из сканирующей туннельной микроскопии (STM), видное место занимает сканирующая микроскопия ближнего оптического поля (Scanning Near-field Optical Microscopy - SNOM). Идея метода состоит в том, чтобы ограничить область взаимодействия поверхности образца со светом малой областью в ближней зоне электромагнитного поля квазиточечного источника (детектора). Размер области взаимодействия может быть, как выясняется, достаточно малым, и в частности, позволяет преодолеть дифракционный предел разрешающей способности традиционных оптических (в том числе конфокальных) микроскопов, составляющий доли длины световой волны. Пространственное изображение оптических свойств поверхности обеспечивается в данных приборах за счет прецизионного сканирования пьезоманипулятором, точно так же, как это делается в STM.
В настоящее время опубликовано вероятно уже несколько тысяч работ с применением сканирующего микроскопа ближнего оптического поля. Весьма полный обзор [1] опубликованный в 1994 г., может дать общее представление о данной области.
Общие принципы
Идея преодоления дифракционного барьера пространственного разрешения путем использования диафрагмы малых размеров в непрозрачном экране впервые высказана, по-видимому в [2]. Изобретение сканирующего туннельного микроскопа продемонстрировало возможность сканирования поверхности с субангстремной механической точностью, и дало толчок развитию сканирующей микроскопии ближнего оптического поля. Первые публикации на эту тему появились вскоре после изобретения собственно STM, и среди них можно назвать работы Люиса [3, 4] где, в частности, была продемонстрирована возможность регистрации света, прошедшего через отверстия диаметром 50 нм, сформированные с помощью электронного микроскопа, и работу Поля [5]. Кроме упомянутых выше работ,
5
описания сканирующих микроскопов ближнего оптического поля были опубликованы также Бетцигом [6, 7], де Форнелем, Годоннетом, Саломоном и Леснисвской [8], Куржоном, Сарайеддином и Спайером [9] в 1989 году, Бетцигом, Финном и Вайнером в 1992 году [10]. Как рассчитано в [11] со ссылкой на [12], интенсивность электромагнитного поля, прошедшего через круглое отверстие в проводящем экране, имеющее диаметр в 100 раз меньший длины волны, спадает по мере удаления от экрана вдоль оси отверстия как Z4 при расстояниях до 100 диаметров, и затем эта зависимость от расстояния переходит в Z, что характерно для спада интенсивности электромагнитного поля в дальней зоне точечного источника.
Особое место в ряду сканирующих микроскопов ближнего оптического поля занимает т.н. “Apertureless (безапертурный, бездиафрагменный) Near-Field Scanning Microscope” построенный [13] группой Викрамасинха. Сканирование осуществляется уголком кремниевого кристалла с помощью AFM-техники контроля касания. Свет, падающий на поверхность [прозрачного] образца со стороны подложки, отражается обратно, и вибрация острия перпендикулярно поверхности модулирует отраженный сигнал. Использование интерферометрической схемы (опорный луч падает на соседний участок образца вдали от точки касания острием) и синхронное детектирование на частоте вибрации острия позволяет выделить изменения в коэффициенте отражения, вызванные присутствием иглы. Пространственное разрешение в получаемом таким экзотическим путем изображении достигает при этом рекордного значения 1 нм. Подобный прибор описан позднее в работе [14]. Данная методика была быстро оценена коллегами [15,16] и в настоящее время больших успехов в ее применении добилась группа Кайлманна [17, 18]. Данная разновидность SNOM (Scattering SNOM, SNIM - Scattering Near-field Interference Microscopy) позволяет получать количественные сведения о локальном значении диэлектрической проницаемости и об амплитуде/фазе локального электромагнитного поля в области расположения иглы.
6
Схемы экспериментов
В первых работах в основном использовались модификации существовавших уже STM и AFM. Свет, фокусируемый в область размещения сканирующей иглы с помощью традиционных (дальнепольных) оптических средств - линз, микроскопов, - дополнительно концентрировался, как утверждают авторы работ, в непосредственной близости от острия. В таких системах взаимодействие света с поверхностью оказывалось ограничено ближней дипольной зоной острия, размер которой не превышает долей длины волны. Развитие методики в основном шло по двум направлениям. В одних системах в качестве оптического точечного сканирующего зонда использовались соответствующим образом приспособленные модификации кантилевера АРМ. Другие системы SNOM построены на основе заостренного конца оптоволоконного световода, в (непрозрачном) металлическом покрытии которого на самом острие имеется отверстие, размер которого определяет область взаимодействия образца со светом. Противоположный конец световода, имеющего достаточную длину, может быть оптически подключен к источнику света или, наоборот, к системе регистрации собираемого излучения, расположенным в удобном месте установки. Оптические схемы экспериментов оказываются близкими для систем, построенных на основе обоих принципов. "Просвечивающая" геометрия эксперимента, используемая часто для изучения препаратов биологических объектов, органично вытекает из традиционно используемой в биологии оптической микроскопии (включая конфокальную [19, 20, 21, 22, 23]). Техника размещения исследуемых объектов на прозрачных подложках хорошо отработана в биологии. Используется как вариант с локальным облучением объектов из иглы и сбором рассеянного света традиционной микроскопной оптикой, так и сбор рассеянного сигнала иглой при освещении светом, сфокусированным приблизительно в область сканирования с помощью микроскопа. Геометрия "на отражение" используется в тех случаях, когда подложка непрозрачна, что часто бывает с со структурами, расположенными на поверхности полупроводника или металла. Так же, как и в геомелрии эксперимента "на просвет",
7
возможно как облучение объекта из иглы со сбором рассеянного света традиционной оптикой, так и использование острия в качестве локального светособирающего зонда. Обе схемы эксперимента не свободны от следующего недостатка: при наличии
микрошероховатостей поверхности локальное электромагнитное поле вблизи острия (предмет измерения в БЮМ) определяется не только оптическими свойствами точки касания, но также распределением "теней” от неровностей и иглы. Восстановить точное распределение электромагнитного поля в ближней дипольной зоне острия (точная форма которого неизвестна) с учетом формы микронеровностей представляется затруднительным. Это может служить источником экспериментальных ошибок и сомнений в достоверности полученных данных. Использование острия одновременно для облучения поверхности и сбора сигнала позволяет значительно упростить интерпретацию эксперимента, и используется в тех случаях, когда различная длина волны позволяет разделить падающий и рассеянный свет (например, при исследовании фотолюминесценции), а уровень сигнала достаточно высок.
Теория
Анализ рассеяния света объектом и собирания иглой
Работа [24] содержит, наряду с богатой библиографией, расчет полей в волокне и вокруг него, а также в образце в многомультипольном приближении [25] отдельно для поляризаций Р (поле Е параллельно поверхности) и 8 (поле Е перпендикулярно поверхности). Расчеты проведены весьма детально, и, в частности, даже коэффициент поглощения алюминия описан в работе конечной комплексной константой, взятой, очевидно, из соответствующего справочника.
Весьма близок к реальному эксперименту случай, рассчитанный в [26]. В работе моделируется ситуация, когда образец освещен полем плоской волны, и рассчитана интенсивность электромагнитного поля, собираемого иглой БЫОМ. В качестве модели собирающего острия использован кварцевый шарик радиусом 20 нм (что близко к
8
действительности), а в качестве модели объектов на металлической поверхности взяты металлические шарики того же радиуса, организованные в отдельно лежащие группы по 3x3. “Освещение поверхности” в модели производилось светом с длиной волны 633 нм, падающим под углом 60° к нормали. Вычислялась оптическая поляризация каждого из шариков путем решения системы линейных уравнений, описывающей создаваемое всеми остальными соседями поле. Для описания запаздывания поля использовались соответствующие пропагаторы. Действительная и мнимая часть диэлектрической проницаемости сред в задаче соответствует справочным значениям. В результате "сканирования” поверхности были построены ожидаемые изображения интенсивности собираемого излучения для различных поляризаций падающего света и расстояний от плоскости сканирования до поверхности (от 40 до 100 нм). Как и следовало ожидать, разрешающая способность ухудшается по мере удаления острия от поверхности. Было показано, что использование поля с компонентой электрического поля, нормальной к поверхности, дает больший контраст и более четкое изображение. Было продемонстрировано наличие резонансов, возникающих в описанной системе при некоторых условиях. Кроме этого, работа содержит рекомендации по отбраковке реатьных сканирующих игл с учетом видимого в дальнем поле распределения излучаемого острием света. Результаты расчетов с использованием данной техники опубликованы авторами также в [27]. Также расчету полей в БЖ)М, работающем "на отражение", посвящены работы [28,29].
Моделированию эксперимента с "просвечивающим" БЖ)М, когда облучающий свет (различных поляризаций) падает на поверхность из стеклянной подложки, посвящена работа [30]. Изображаемому объекту соответствует в модели полусфера малого радиуса, лежащая на стеклянной подложке. Изображение, рассчитанное для освещающего света э-поляризации (вектор электрического поля лежит в плоскости образца) содержит провал интенсивности в центре с некоторым увеличением прошедшей интенсивности по мере удаления от объекта, в то время как для освещения р-поляризации пространственное распределение собираемой
9
интенсивности имеет приблизительно гауссову форму с максимумом в центре объекта и особенностей не содержит.
Разложение излучаемого иглой света по набору плоских волн (Фурье-анализ) использовалось в [31]. Развитый в работе подход позволил рассчитать зависимость интенсивности электромагнитного поля, создаваемого отверстием диаметром АЛО, от расстояния Ъ вдоль его оси. Результаты расчетов, как показано, на расстояниях, больших, чем диаметр отверстия, близки к результатам расчета для магнитного диполя. Показано, что на расстояниях, малых по сравнению с диаметром отверстия, использование магнитного диполя в качестве модели излучающего острия дает завышенные значения, но зато рассчитанная зависимость хорошо совпадает с зависимостью, построенной согласно развитому Боукампом [32] подходу Бете [12] для поля, прошедшего через малое отверстие.
Решение обратных задач при восстановлении источника
Распознаванию объектов на поверхности металла посвящена работа [33]. В качестве модельного объекта в расчетах использовались две параллельные царапины различных размеров на поверхности металла. В работе рассчитано собираемое электромагнитное поле вблизи поверхности для разных поляризаций поля, и различных соотношений размеров борозд при различных удалениях от поверхности. Было также рассмотрено влияние точечных дефектов поверхности (шума) на получаемое изображение.
Восстановлению рассеивающих объектов на поверхности диэлектрика и под ней при освещении из подложки посвящена работа [34]. В ней также рассмотрены случаи с различной поляризацией падающего излучения. В качестве модельных объектов взяты периодические (дифракционные решетки) и точечные (локальная особенность коэффициента преломления) объекты на поверхности.
В некоторых случаях, когда исследователя интересуют лишь усредненные параметры объектов на поверхности, например, их средний размер, можно использовать пространственный спектр получаемых оптических изображений, как это сделано в [35]. Для
10
этого, очевидно, желательно, чтобы исследуемые частицы были распределены по поверхности хаотично. Периодичность в расположении рассеивающих центров приведет к появлению дополнительных гармоник в сравнительно длинноволновой области пространственного спектра, что в этом случае может быть использовано для нахождения искомого периода.
Технические аспекты сканирующих систем
Особенности взаимодействия иглы с образцом
Корреляции между топографическим и оптическим изображением полученными при работе в схеме "на отражение", посвящены работы [36] (микроструктуры, нанесенные напылением алюминия на кварц, с шириной линий около 100 нм near-field облучение из иглы, far field сбор сигнала традиционным оптическим микроскопом) и [37] (облучение и сбор сигнала с помощью иглы, в качестве тестового объекта использованы дифракционные решетки).
В работе [38] одновременно записаны зависимость амплитуды вибрации от высоты иглы над поверхностью (кривая подвода) и детектируемая интенсивность оптического сигнала для свежеприготовленной иглы и для иглы после длительного сканирования. Показано, что за счет налипания на иглу "грязи" с поверхности кривая подвода смещается вдоль оси Z так, что оптическая чувствительность острия в рабочей точке существенно падает. Это объясняется в работе тем, что реальное расстояние острие-поверхность увеличивается на размер налипших частиц, видимых на приведенном в работе изображении "загрязненной" иглы в электронном микроскопе.
Системы сканирования и обратная связь
Большинство сканирующих систем не имеют существенных отличий от сканирующих систем STM и AFM, и сканирование происходит за счет деформации пьезотрубки. Определенные ограничения, связанные с неподвижностью иглы в фокусе лазерного луча
11
накладывает использование лазерного датчика вибрации иглы, в результате чего образец оказывается закреплен на конце сканирующей трубки, как в большинстве AFM систем с оптическим датчиком изгиба кантилевера. Так же, как в STM системах, определенные усилия прилагаются создателями сканирующих систем для коррекции нелинейности и крипа пьезокерамики: устанавливаются независимые емкостные [39] или лазерные [40] датчики смещения образца. Проблемы метрологической точности сканирующих систем обсуждаются также в [41].
Определенные трудности представляет создание сканирующих систем, работающих при низкой температуре. При исследовании люминесценции некоторых объектов (например, красителей) изменение температуры по сравнению с комнатной позволяет изменять заселение возбужденных уровней молекул и получать таким образом дополнительную информацию об электронных спектрах исследуемых молекул. Регистрация фотолюминесценции других объектов (например, многих полупроводников), вообще невозможна при комнатных температурах из-за обилия каналов безызлучательной рекомбинации. Тем не менее, трудности технического сорта объясняют малость числа опубликованных описаний конструкций низкотемпературных SNOM [42, 43, 44] и научных результатов, полученных при низкой температуре [45,46,47,48].
Измерительные приложения микроскопии ближнего поля
“Квазиклассическне” изображения
Карта прозрачности органической пленки, содержащей смесь poly(phenylene vinylene) и tris(8-hydroxy)quinoline на стекле, а также карта ее коэффициента отражения, была получена в [49]. Были обнаружены “темные пятна” - участки размера 100-300 нм с заметно меньшим коэффициентом пропускания. Топографическое изображение не имело выраженных особенностей в регионах, соответствующих “темным пятнам”, и это дало возможность авторам работы утверждать, что наблюдается действительно пространственная
12
неоднородность оптических свойств исследуемых пленок. Данное авторами объяснение состояло в наличии различно ориентированных доменов натяжения пленки, и это с учетом поляризационной активности пленок данных полимеров могло служить причиной неодинаковой прозрачности пленки на длине волны 488 нм.
Исследованию изображения малых объектов на прозрачной подложке посвящена работа [50]. В качестве модельных объектов на поверхности стекла методами микролитографии были сформированы выступающие стеклянные площадочки высотой 50-70 нм и диаметром 40-60 нм, расстояние между которыми составляло около 1 мкм. Образец освещали с помощью традиционной оптики, и рассеянное поверхностью излучение собирали оптоволоконным зондом (иглой) SNOM. Для различных поляризаций падающего света были получены изображения модельных объектов, причем для случая когда падающая волна содержит ненулевую компоненту электрического поля по нормали к поверхности (ТЕ, поперечный электрический, по обозначению в работе) был продемонстрирован отрицательный контраст, соответствующий темному пятну в центре изображения нанообъекта. Освещение светом ТМ (поперечной магнитной) поляризации, содержащей только параллельную поверхности компоненту электрического поля, аномальных минимумов в центре изображения не имеет. Также в работе была продемонстрирована возможность наблюдения сложной волнообразной структуры оптического изображения заведомо простых по форме объектов за счет дифракции света на них и интерференции полей, рассеянных близко расположенными объектами.
Спектроскопии поглощения с нанометровым пространственным разрешением посвящена работа [51]. Схема измерения поглощения малых объектов, расположенных на прозрачной подложке, близка к используемой в традиционной оптике: перестраиваемый монохроматор выделяет определенную длину волны из белого света, например, лампы накаливания, и затем спектр пропускания образца нормируется на спектральное распределение яркости лампы и монохроматора, записанное на "пустом" приборе. Отличие
13
состоит только в большей локальности метода, которую обеспечивают малые размеры использованного фотоприемного диода, встроенного в кантилевер сканирующего АРМ. Возможности метода продемонстрированы при записи спектров поглощения полимерных шариков на поверхности, содержащих краситель.
Многие работы содержат полученные с помощью БЮМ изображения биологических объектов. Успех в данной области сдерживается необходимостью при измерениях размещать исследуемые объекты в жидкой среде, что ограничивает возможности используемых датчиков касания систем обратной связи по высоте, и требует принятия специальных мер [52, 53]. Наиболее часто авторами для демонстрации возможностей описываемого в статье прибора используется изображение вируса табачной мозаики, по-видимому в связи с его большими физическими размерами, поскольку новой биологической информации работы с его изображением, как правило, не содержат (например, [54]). По-видимому, первое оптическое изображение фрагментов бактерии сальмонеллы в жидкой среде опубликовано в [55]. Флуоресцентное изображение нейронов крысы, подкрашенных для увеличения контрастности красителем, опубликовано в [56]. Разрешающая способность в оптическом изображении составляет, как утверждается, 140 нм. Применению методики 8Ж)М дтя исследования биологических объектов посвящены также работы [57,58, 59,60,61].
Регистрация “полей утечек”
Весьма часто в различных работах описывается запись затухающего
электромагнитного поля стоячей волны над поверхностью гладкого диэлектрика, для чего изнутри диэлектрика на поверхность направляется луч (пара встречных когерентных лучей) под углом (углами), соответствующим полному внутреннему отражению. Так, в работе [62] исследована зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от высоты светособирающего зонда над поверхностью, а также карта интенсивности в плоскости поверхности. Хорошо видна интерференционная картина, на которой видно также биение двух синусоидальных распределений от близких по частоте мод использованного лазера.
14
Аналогичные результаты опубликованы в работах [63]. Полученные в работе [64] для кремниевой АРМ иглы над полуцилиндрической “призмой нарушенного полного внутреннего отражения” из 1пР (с высоким показателем преломления) зависимости регистрируемой интенсивности утечки через поверхность вблизи сканирующей иглы от расстояния игла-поверхность отличаются от чисто экспоненциального затухания. Утверждается, что в данном случае иглу нельзя рассматривать как зонд, не возмущающий исследуемое поле, и проникновение электромагнитного поля из образца в иглу и далее наружу к детектору хорошо описывается на языке изображений иглы в поверхности, подобно тому, как это делается в задачах электростатики.
Интересные результаты представлены в работе [65]. Авторы исследовали пару близко расположенных параллельных интегральных световодов, сформированных на поверхности кремния. Вводя излучение через один из световодов, авторы получили с помощью БЫОМ карту “сигнала утечки”, отражающую интенсивность световых волн, распространяющихся в световодах. Видно быстрое затухание поля в “возбуждающем” канале по мере распространения вдоль участка с близким расположением параллельных световодов и соответствующее этому возбуждение световой волны в соседнем световоде. Перекачка энергии из световода в световод происходит за счет электромагнитного взаимодействия полей в близкорасположенных световодах, и очевидно, что данный эксперимент в принципе оказалось возможно поставить только благодаря использованию техники 8ЫОМ, поскольку утечки излучения в “дальнее поле” скорее всего не происходит за счет деструктивной интерференции между отдельными участками волноводов.
Необычной является схема эксперимента, описанная в [66]. Направление поляризации света, подводимого по оптоволокну, периодически изменяется (частота модуляции 2 кГц), что приводит к регистрируемой модуляции рассеянного сигнала, собираемого в “дальнем поле” с помощью традиционного оптического микроскопа. На карте отклика поверхности подложки, покрытой кристаллами родамина (при нерезонансном возбуждении светом с
15
длиной волны 633 нм), видны области с различной амплитудой и фазой отклика по отношению к колебаниям поляризации зондирующего света. Одновременно с этим в экспериментах записывалась также карта поглощения и топография, что позволило авторам сравнивать полученные изображения. Те же авторы при исследовании так называемых агрегатов красителей на поверхности [67] использовали для регистрации сигнала люминесценции детектор с высоким временным разрешением (25 пс). Полученные изображения интенсивности люминесценции и топографии позволяют судить о группировке аггрегатов на поверхности в виде сети нитей.
Спектроскопия люминесценции молекул
Первыми работами, в которых сообщается о регистрации сигнала фотолюминесценции
от отдельной молекулы, являются [68,69]. Затем об успехе в наблюдении отдельной
молекулы сообщаюсь также в работах [70, 71]
В работе [72], также посвященной регистрации фотолюминесценции малых объектов
на поверхности, сделано замечание фундаментального характера: внесение собирающей
иглы в ближнюю дипольную зону возбужденной молекулы, описываемое на языке
классической оптики повышением эффективности собирания возможного излучения
люминесценции иглой может означать увеличение вероятности спонтанного перехода в
терминах квантовой оптики. Данный эффект может быть обнаружен, например, по
изменению постоянной времени затухания фотолюминесценции на установке с временным
разрешением. В работе приведена зависимость детектируемой интенсивности света от
расстояния игла - возбужденный источник.
Спектроскопии одиночных органических молекул посвящена также работа [54].
Распределение молекул красителя в упаковке на поверхности подложки наблюдалось с
помощью БЫОМ в работах [73,74,75].
16
Комбинационное рассеяние
Первой работой, в которой сообщается об успешном использовании SNOM для
спектроскопии комбинационного рассеяния, является, по-видимому, [76].
Спектры комбинационного рассеяния красителя Cresyl Fast Violet и Родамина 6Ж (Rhodamine-6G) получены Цайзелем [77].
Спектры комбинационного рассеяния алмаза, записанные как в ближнем, так и в дальнем поле, приведены для демонстрации работоспособности прибора в [78]. Мощность накачки составляла 50-100 нВт. По-видимому первым наблюдением комбинационного рассеяния одиночной молекулы (краситель crystal violet), в режиме SERS (Surface enhanced Raman scattering) с помощью SNOM следует считать [79]. Спектральный диапазон регистрируемого стоксова сдвига был 700-1700 см'!, а использованная в эксперименте плотность накачки 2x105 Вт/см2. Изучению комбинационного рассеяния с помощью SNOM посвящены также работы [80, 81].
Использование SNOM для записи/считывания информации с высокой пространственной плотностью
Сканирующий микроскоп ближнего поля был применен для считывания изображения доменов магнитооптических пленок [82,83].
Также изображение магнитных доменов на поверхности многослойной пленки Со/Сг с использованием магнитооптического эффекта Керра было получено в [84]. Лазерное излучение определенной поляризации подводилось авторами через иглу, приготовленную из одномодового оптоволокна, отраженный свет собирался с помощью эллиптического зеркала высокой светосилы. Биты информации записывались термомагнитным путем с помощью импульсов лазера, сфокусированного на поверхность без использования SNOM. Полученные оптические и топо1рафические (shear-force) изображения сравнивались в работе с изображениями данной поверхности, полученными на магнитно-силовом микроскопе.
17
Успешная попытка записи информации и ее последующего считывания с помощью SNOM описана в [85]. Слой Ge2Sb2Tes в аморфной фазе толщиной 30 нм, расположенный на полимерной подложке в окружении слоев ZnS-Si02 облучался через острие SNOM лазерными импульсами (0.5-5 мс, 7.3-8.4 мВт, 788 нм), что вызывало кристаллизацию областей, нагретых выше 150-2000. Изменения в коэффициенте отражения участков пленки, подвергнутых кристаллизации, приводят к тому, что при последующем сканировании со считыванием отраженного от поверхности излучения острия иглы (свет считывания подводится по волокну) с помощью традиционной (“дальнепольной”) техники в полученном изображении легко различимы записанные точки (биты). Размер точки определяется, очевидно, диаметром диафрагмы и теплопроводностью пленки в момент записи, и типичные значения составляют 60-100 нм.
Формирование холмиков на поверхности металлической пленки на слюде (80% Аи -20% Pd) толщиной 20-100 нм под действием лазерного импульса, фокусирующегося вблизи металлической иглы STM описано в работе [86]. Утверждается, что эффект носит пороговый характер. Изготовленные структуры диаметром 30-50 нм и высотой 10-15 нм оставались неизменными по крайней мере 10 часов после формирования.
О достижении плотности записи (и, что важно, считывания) информации до 256 гигабит/дюйм2 при использовании SNOM сообщается в работе лаборатории IBM research division [87].
Выводы
Сканирующая микроскопия ближнего оптического поля, являясь сравнительно молодой методикой локального исследования поверхности, продемонстрировала свою пригодность для исследования весьма широкого круга объектов. В последние годы в публикуемых работах растет число тех, которые посвящены изучению свойств полупроводниковых, биологических, химических и других объектов, и направлены на получение ответов на вопросы, поставленные специалистами в соответствующих областях.
18
Высокое пространственное разрешение, простота установок, отсутствие необходимости вакуумирования образца позволяют в некоторых случаях получать информацию об исследуемых объектах, недоступную с помощью альтернативных методик. Тем не менее, некоторые фундаментальные и прикладные проблемы, имеющие отношение к собственно методике БМОМ, ждут своего решения.
Опыт конструирования механических сканирующих устройств, электронных приборов и про!рамм, обеспечивающих их функционирование, был уже накоплен автором работы к началу 1990-х годов. Это побудило автора приложить свои усилия к развитию данной области микроскопии сканирующего зонда.
19
Глава 1. Конструкции апертурных 81>ЮМ - приборов с заданием рабочей области отверстием на игле
В главе описываются разработанные и построенные соискателем конструкции сканирующих головок БЫОМ, в которых оптическое пространственное разрешение задается размером и формой отверстия в (непрозрачном) металлическом покрытии иглы, расположенного на самом кончике иглы (Рис. 1).
100 пт
4.
Рис. 1. Схематическое изображение сканирующей иглы SNOM, изготовленной из заостренного конца световода путем нанесения на острие металлического покрытия [Pohl et.al. (1984), Lewis et.al.(1983)].
Сканирующие иглы
В настоящее время наиболее распространенным зондом в SNOM-системах является игла, изготовленная из заостренного конца оптоволокна путем разрыва оптоволокна в точке локального разогрева, и затем покрытого металлом для формирования на острие светособирающего отверстия, диаметр которого определяет оптическую разрешающую способность прибора. Вытягиванием волокна в точке локального разогрева формируют иглы в группах Майкснера [88] (волокно пропущено в раскаляемую током в атмосфере гелия спиральку платиновой проволоки и натянуто пружиной), Люиса [89] (используется покупной прибор для формирования микробиологических пипеточных стеклянных зондов с локальным нагревом волокна в точке разрыва лучом СО2 лазера), Марти (то же самое, используется прибор для изготовления микропипеток Sutter Р-200). Весьма полно все проблемы, связанные с изготовлением игл из оптоволокна, исследованы в работе [90]. При
- Киев+380960830922