Марголин В.И. Основы нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава IX. Раздел 4. Микроскопия ближнего поля.

Микроскопия ближнего поля является новым высокотехнологичным методом

исследования, принцип работы которого основан на использовании малой диа-

фрагмы, обеспечивающей излучение малого диаметра, или зонда, выполняющего

ту же роль, расположенных в непосредственной близости к изучаемому объекту.

До последнего времени было принято полагать, что предел в оптике ставит

фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических приборов, заклю-

чающийся в том, что минимальный размер R различимого объекта может быть

меньше длины волны λиспользуемого света (но незначительно) и принципиально

ограничен дифракцией излучения.

Где n - показатель преломления среды. Для оптического диапазона длин волн

предельный размер составляет величину порядка 200—300 нм. Однако в последнее

время появилась и вызывает все больший интерес возможность изучения и форми-

рования оптическими методами различных структур нанометровых размеров, ко-

торые во много раз меньше длины световой волны λ. В ближнепольной оптической

микроскопии

используются иные принципы построения изображения объекта, ко-

торые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализо-

вать пространственное разрешение на уровне 10 нм и лучше. В основе работы дан-

ного прибора используется явление прохождения света через субволновые диа-

фрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излуче-

ния).

При прохождении

света через субволновое отверстие диаметром 2a наблюдает-

ся ряд особенностей. Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложную

структуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях Z < 100 а располагается

так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в ос-

новном, в виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных

вблизи поверхности диафрагмы. В области расстояний Z > 100 а

располагается

дальняя зона, в которой наблюдаются лишь излучательные моды. Мощность излу-

чения Р за субволновой диафрагмой в дальней зоне может быть оценена по форму-

ле, в которой k - волновой вектор, W

- плотность мощности падающего излучения:

Wak

128

Оценочные расчеты показывают, что для излучения с длиной волны порядка λ

= 500 нм и диафрагмы с отверстием ~ 5 нм мощность излучения в дальней зоне со-

ставляет по порядку величин 10

-10

от мощности падающего излучения. Поэтому, на

первый взгляд, кажется, что использование малых отверстий для построения рас-

тровых оптических изображений исследуемых образцов практически невозможно.

Однако, если поместить исследуемый объект непосредственно за отверстием в

ближней зоне, то вследствие взаимодействия эванесцентных мод с образцом часть

энергии электромагнитного поля переходит в излучательные моды, интенсивность

которых может быть зарегистрирована оптическим фотоприемником. Таким обра-

зом, ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого

образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распреде-

ления интенсивности оптического излучения в зависимости от

положения диа-

фрагмы I(х,у). Контраст на БОМ изображениях определяется процессами отраже-

ния, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят

от локальных оптических свойств образца.

Идея реализации такого подхода была предложена еще в 1928 году Сингхом

(Е.Н. Syngh), но как всегда осталась практически не замеченной. С физической

точки зрения она основана на присутствии в дальней зоне излучения вполне иден-

тифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в

ближнем световом поле, которое локализовано в окрестностях нанообъекта. Мето-

дика получила название ближнепольной оптики и является удачным сочетанием

элементов обычной оптики и сканирующей зондовой микроскопии. Отличитель-

ным элементом ближнепольных приборов является

оптический зонд (рис. 9.4.1),

обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно 1, наружная по-

верхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным сло-

ем металла 2. На этом же рисунке 3 - проходящее через зонд излучение; 4 - выход-

ная апертура зонда, d <<λ; 5 - поверхность исследуемого образца; 6 - расстояние

между исследуемой поверхностью и апертурой зонда, h <λ. Штрихами очерчена

область ближнепольного контакта.

Часть светового потока, распростра-

няющегося по волокну, проходит через

выходное сечение зонда как сквозь диа-

фрагму в металлическом экране и дос-

тигает образца, расположенного в

ближнем поле источника. Если расстоя-

ние h до поверхности образца и радиус

d диафрагмы удовлетворяют условию

d,h <<λ, то размер светового пятна на

образце близок

к размеру диафрагмы.

При перемещении зонда вдоль образца

возможна реализация разрешения, не

ограниченного дифракцией, или сверх-

разрешения. Ее первое подтверждение

было получено Эшем (ЕА. Ash) в опытах с микроволнами в 1972 году.

Рис. 9.4.1. Схема волоконно-оптического

ближнепольного зонда:

В начале 80-х годов группа исследователей из Цюрихской лаборатории фирмы

IBM во главе с Дитером Полем (не путать с Боленом - D.W. Pohl) проникла

внутрь

дифракционного предела и продемонстрировала разрешение λ/20 на приборе, ра-

ботающем в видимом оптическом диапазоне и получившем название ближнеполь-

ного сканирующего оптического микроскопа (БСОМ). Чуть раньше в той же лабо-

ратории был создан первый сканирующий туннельный микроскоп, принесший ей

всемирную известность и, главное, нобелевскую премию.

В отличие от туннельного и атомно

-силового микроскопов, сразу завоевавших

признание, БСОМ некоторое время оставался в тени. Уникальные возможности

БСОМ были убедительно продемонстрированы лишь в начале 90-х годов, когда

удалось решить две важные технические проблемы: существенно повысить энерге-

тическую эффективность зондов и обеспечить надежный контроль расстояния ме-

жду острием и образцом. В последние годы в десятках

лабораторий успешно ве-

дутся работы по использованию БСОМ при решении широкого круга задач физики

поверхности, биологии, техники записи и считывания информации и др. С 1993 го-

да в США ведется промышленный выпуск приборов БПО. Российские исследова-

тели работают в основном на приборах собственной разработки и конструкции, ко-

торые ничуть не хуже промышленных

западных, а зачастую их и превосходят, не

говоря уже об операторском мастерстве

и искусстве анализа получаемых изо-

бражений.

Одна из простейших схем ближне-

польного микроскопа представлена на

рис. 9.4.2, где 1 - микрообъектив, рабо-

тающий в отраженном свете; 2 - микро-

объектив, работающий в проходящем

свете; 3 - пьезодвижитель для перемеще-

ния зонда; штрихом показана область

ближнепольного

контакта.

К настоящему времени создано около

20 типов БСОМ, различающихся осо-

бенностями оптической схемы и функ-

циональным назначением зонда. В зави-

симости от наличия или отсутствия диа-

фрагмы на конце зонда их можно разбить на две основные группы: апертурные и

безапертурные. Принцип действия апертурных БСОМ, составляющих преобла-

дающее большинство современных приборов,

поясняет приведенная на рис. 9.4.2

блок-схема микроскопа.

Рис. 9.4.2. Простейшая схема ближне-

польного микроскопа.

Луч лазера (обычно гелий-неонового или аргонового) через согласующий эле-

мент попадает в заостренное металлизированное волокно и на выходе сужается до

размеров диафрагмы. Взаимное перемещение острия и образца в трех измерениях

x, у, z. осуществляется с помощью пьезодвижителей. Прошедшие через образец

или отраженные и рассеянные фотоны улавливаются одним из микрообъективов (2

или 1 соответственно) и направляются в регистрирующий прибор, обычно фотоум-

ножитель. Такой микрообъектив, как правило, входит в схему обыкновенного оп-

тического микроскопа, что позволяет осуществить выбор исследуемого участка и

его привязку к более широкому полю. Приведенная схема относится к приборам,

работающим в

режиме освещения (illumination mode). Широко распространены

приборы, работающие в режиме сбора фотонов (collection mode), когда зонд пере-

носит фотоны от образца, освещенного, например, через микрообъектив, к детек-

тору. В комбинированном режиме (освещение/сбор) зонд выполняет одновременно

обе функции.

Чтобы установить острие на нужной высоте над образцом, во всех сканирую-

щих зондовых микроскопах используют зависимость

величины I регистрируемого

сигнала от z. В большинстве типов БСОМ зависимость I(z) неоднозначна, посколь-

ку наряду с ближнепольным сигналом I

регистрируется также периодически изме-

няющийся с z сигнал I

, вызванный интерференцией падающей и переотраженных

в системе зонд—образец волн. Это затрудняет или делает полностью невозможным

надежный контроль z. по величине I=I

при сближении острия с образцом. Луч-

шим решением проблемы является введение в БСОМ вспомогательных узлов, по-

зволяющих им осуществлять также функции сканирующего туннельного или атом-

но-силового микроскопов, в которых определение z не вызывает существенных

трудностей.

В таких комбинированных приборах запись изображения осуществляется одно-

временно по двум каналам, один из которых

воспроизводит рельеф поверхности, а

другой — локальное распределение показателя преломления в тончайшем припо-

верхностном слое. Возможность различения оптического и топографического кон-

трастов существенно упрощает интерпретацию изображения.

Основной характеристикой БСОМ является пространственное разрешение, ко-

торое в сильной степени зависит от условий освещения или в более общем случае

— от наблюдения образца, структуры его

поверхности и микрогеометрии зонда.

Известно, что функция импульсного отклика дифракционно-ограниченной оптиче-

ской системы описывается распределением Эри. Полуширина главного максимума

распределения соответствует разрешению по Рэлею: ∆х = 0,61λ/sinϕ, где ϕ- апер-

турный угол. В пределе при ϕ→- π/2 ∆х→ ∆х

min

= 0,61λ. При прохождении света

через малую диафрагму из-за рассеяния и геометрических ограничений происходит

искажение и расширение ∆f спектра переносимых пространственных частот, кото-

рое также описывается распределением Эри ∆f=0,61/α. В результате при α→ 0

волновое поле непосредственно за диафрагмой содержит сколь угодно большие

пространственные частоты и как следствие этого∆x

min

→0. В реальной ситуации из-

за конечной проницаемости металлического экрана (покрытия) минимальный эф-

фективный радиус диафрагмы определяется глубиной проникновения света в ме-

талл или толщиной δ скин-слоя. С учетом этого ожидаемое предельное разреше-

ние, например, для зонда с алюминиевым покрытием в видимом диапазоне спектра

составляет ∆x

min

=2δ=13 нм, что соответствует лучшим экспериментальным резуль-

татам. Отсутствие физических ограничений размера вершины зонда в безапертур-

ных БСОМ позволяет реализовать в них разрешение лучше 1 нм.

Критерий Рэлея является одной из иллюстраций принципа неопределенности

Гейзенберга, согласно которому любая попытка повысить степень локализации или

точность определения положения ∆х источника света приводит к

возрастанию не-

определенности ∆p

сопряженного импульса фотонов. При рассеянии фотонов в

максимальном диапазоне углов -π/2 ≤ϕ≤π/2 ∆p

=ħ∆k

=4πħ/λ (ħ - постоянная План-

ка, k

– x - компонента волнового вектора k) и ∆x≥λ/2. Возможность реализации

разрешения ∆x<< λ/2, казалось бы, противоречит одному из основных физических

принципов. Следует, однако, иметь в виду, что соотношение неопределенности в

самом общем виде относится к положению частицы в импульсно-координатном

пространстве. Поэтому, ограничивая одну из компонент волнового вектора, оно по-

зволяет

варьировать другие. Можно принять, например, k

=0, k

=-iγ, где γ — ве-

щественное положительное число. Тогда k

=(k

-k

)

1/2

=(k

+γ

)

1/2

>k. При γ→∞ об-

ласть допустимых значений k

неограниченно растет, а ∆x может быть сколь угод-

но малым.

Полученные Бете и позднее несколько уточненные формулы, описывающие

распределение поля непосредственно за диафрагмой (z→+0), до настоящего време-

ни остаются единственным строгим аналитическим представлением ближнего по-

ля. В последнее время большое внимание уделяют разработке методов компьютер-

ного моделирования, в которых пространство

вблизи вершины зонда разбивается

на ряд ячеек и ищется решение электродинамической задачи при распространении

возмущения из одной ячейки в другие. Разрешение математических моделей опре-

деляется размером ячеек, то есть в конечном итоге разумным временем вычисле-

ний, и составляет ∼1 нм. Использование методов моделирования позволило на-

глядно представить структуру поля не только

в зазоре зонд-образец, но и в части

зонда, примыкающей к вершине и близкой к сечению отсечки основной волновод-

ной моды. Было показано, в частности, что распределение поля в зонде характери-

зуется наложением сложной системы стоячих волн, возникающих из-за многократ-

ных отражений света от стенок конуса.

Возможность улучшения на

порядок и более локальности оптических методов

исследования поверхности весьма существенна при решении широкого круга науч-

ных и прикладных задач. Анализируя взаимодействие света с неоднородной по-

верхностью методами обычной оптики, приходится усреднять влияние многих де-

фектов, находящихся в пределах облучаемого участка. Применение БСОМ облег-

чает исследование отдельных неоднородностей нанометрового размера. Первым

подтверждением этой особенности стало обнаружение одночастичных плазмонов,

возбуждаемых светом в металлизированных латексных сферах.

Особый интерес представляет БСОМ для нанотехнологии, поскольку позволяет

исследовать поверхность как самой подложки, так и расположенных на ней объек-

тов с уникальным разрешением. Возможна также регистрация дифракционных и

интерференционных картин, возникающих над поверхностью подложки в ближней

зоне

, при взаимодействии поверхностных волн с наноструктурой поверхности. Ме-

тоды БПО интересны для наноэлектроники, где они позволяют исследовать по-

верхность и топологию элементов с высокой локальностью. Вместе с тем можно

оказывать на поверхность и тонкий слой "силовое" воздействие (в частности, мо-

дифицировать их структуру), если ближнее поле характеризуется высокой напря-

женностью.

Это направление применений БПО, называемое также нанооптикой,

также интенсивно развивается. Примером может служить нанесение с помощью

БСОМ различных рисунков, характерный размер элементов которых составляет 50-

70 нм.

К числу объектов, для которых проблема локальности оптического анализа иг-

рает первостепенную роль, относятся гетероструктуры с квантово-размерными

свойствами. В них с помощью БСОМ удается

не только локализовать отдельные

центры люминесценции, но и разделить их спектры. Такие исследования дают цен-

ную информацию как о структурных особенностях системы, в том числе о шерохо-

ватости (на атомном уровне) границ раздела, так и о механизме диффузии и распа-

да квазичастиц типа экситонов.

Возможность в несколько раз улучшить разрешение при

фотолитографии, а

также на порядок и более повысить плотность записи информации (например, на

магнитооптических средах) является чрезвычайно заманчивой и стимулирует

большое число работ, направленных на решение этих задач. Однако переход от ла-

бораторных исследований к разработке промышленных технологий сдерживается

малой скоростью нанесения рисунка на поверхность путем сканирования зонда.

Требуемая скорость

сканирования связана с мощностью излучения, которая огра-

ничена термической устойчивостью зонда. Как уже отмечалось, в типичных усло-

виях лишь 10

-6

-10

-4

часть светового потока попадает на образец, а основная часть

поглощается металлическим покрытием зонда и нагревает его. Соответствующий

анализ показал, что распределение температуры в зонде существенно зависит от

его микрогеометрии и структуры поля вблизи вершины. Обычно наиболее нагретая

область находится на значительном удалении от вершины. Этого, однако, доста-

точно чтобы уже

при световой мощности ∼10 мВт, падающей на входное сечение

стеклянного волоконного зонда с алюминиевым покрытием выходной конической

части, при мощности дошедшего до образца излучения ∼10 нВт происходило раз-

рушение зонда из-за плавления алюминиевого покрытия в согласии с результатами

измерений.

Ближнепольная микроскопия представляет большой интерес для различных

биологических исследований. В первую очередь это связано с тем, что с ее помо-

щью (как и с помощью многих других оптических методов) можно изучать биоло-

гические объекты без их повреждения и в естественном окружении(in vivo, но это

будут очень небольшие объекты.). БСОМ дает

контрастное изображение как для

прозрачных, так и для отражающих или рассеивающих объектов, причем обладает

не только высоким пространственным, но и временным разрешением.

Существенное увеличение энергетической эффективности ближнепольных зон-

дов является одной из важнейших научно-технических проблем нанооптики. Один

из интересных путей ее решения заключается в использовании металлического

стержневого зонда, подвод излучения

к вершине которого осуществляется за счет

возбуждения цилиндрической поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ). При

этом отпадают трудности, вызванные отсечкой поля в заостренном кварцевом во-

локонном зонде и как следствие - большими потерями энергии. Анализ показывает,

что поле ПЭВ у вершины зонда сконцентрировано в области, соизмеримой с ее

диаметром.

Область применений БПО быстро

расширяется. Новые направления находятся

на стадии формирования идеи или ее экспериментальной проверки. Одна из них

связана с возможностью использования методов БПО для контроля поверхности

элементов мощных лазеров. Как правило, оптический пробой оптических материа-

лов и элементов инициируется дефектами, природа которых не всегда известна.

Наиболее естественный подход к обнаружению таких дефектов состоит

в исполь-

зовании для анализа поверхности и тонких слоев излучения с той же частотой, что

и при силовом воздействии. Возможность визуализации малых оптических неод-

нородностей и проведения их спектрального анализа в БСОМ позволяет рассмат-

ривать его как эффективное средство решения этой задачи.

Преодоление дифракционного предела в оптике или в более

широком смысле

— в науке о волнах — означает на самом деле более глубокое проникновение в за-

ложенные в электродинамике информативные возможности. Еще раньше были

достигнуты значительные успехи в расшифровке дифракционных картин (напри-

мер, космических объектов), позволяющие определять размер объекта (например,

диаметр звезды), даже если он значительно меньше длины волны регистрируемого

излучения.

Однако для такой расшифровки необходимо заранее знать форму объ-

екта. Принципиально новым моментом, связанным с созданием и развитием ближ-

непольной оптики, является возможность получить с помощью оптических мето-

дов информацию о мельчайших объектах произвольной формы и локально воздей-

ствовать на них.

Под непосредственной близостью следует понимать исключительно наномет-

ровые размеры. Микроскопия

ближнего поля быстро развивается, с каждым годом

появляются новые конструкции микроскопов, которые благодаря своей относи-

тельной дешевизне внедряются не только в научно-исследовательские центры, но и

на производстве.

Глава IX. Раздел 5 Электронная микроскопия сверхвысокого разрешения

Глава IX. Раздел 6 Конфокальная микроскопия.

Конфокальная микроскопия является хорошим примером спирального разви-

тия, когда на новом витке спирали познания открываются новые свойства старых, и

уже казалось бы списанных с рассмотрения технических приемов и технологий.

Конфокальная микроскопия является технологическим продуктом, связанным с

созданием совершенно уникальных возможностей с точки зрения увеличения раз-

решающей

способности микроскопа. Конфокальный микроскоп отличается от

"классического" оптического микроскопа тем, что в каждый момент времени реги-

стрируется изображение одной точки объекта, а полноценное изображение строит-

ся путем сканирования (движения образца или перестройки оптической системы).

Для того, чтобы регистрировать свет только от одной точки, после объективной

линзы располагается диафрагма малого размера

таким образом, что свет, испус-

каемый анализируемой точкой, проходит через диафрагму и будет зарегистриро-

ван, а свет от остальных точек в основном задерживается диафрагмой, как это по-

казано на рис. 9.6.1 а.

Вторая особенность

состоит в том, что освети-

тель создает не равномер-

ную освещенность поля

зрения, а фокусирует свет

в анализируемую

точку,

как показано на рис. 9.6.1

б. Это может достигаться

расположением второй

фокусирующей системы за

образцом, но при этом

требуется, чтобы образец

был прозрачным. Кроме того, объективные линзы обычно сравнительно дорогие,

поэтому использование второй фокусирующей системы для подсветки мало пред-

почтительно. Альтернативой является использование светоделительной пластинки,

так чтобы и падающий и

отраженный свет фокусировались одним объективом. Та-

кая схема к тому же облегчает юстировку. Качественно понятно, что применение

конфокальной схемы должно приводить к увеличению контрастности изображе-

ния, за счет того, что "паразитный" свет от точек соседних с анализируемой пере-

стает попадать в детектор. Платой за увеличение контрастности будет необходи-

мость применения

достаточно сложных схем сканирования либо образцом, либо

световым пучком.

Рис. 9.6.1. Ход лучей в конфокальном оптическом

микроскопе, а - обычная схема, б - с подсветкой.

Идея создания микроскопа, особенно востребованного биологами, поскольку

он способен на клеточном уровне показать прижизненный срез живой ткани, ак-

тивно разрабатывалась еще 130 лет назад. Основной элемент современных микро-