Новотный Л., Хехт Б. Основы нанооптики
Подождите немного. Документ загружается.
б
4.
Изготовление
аnертурных
зондов
193
Рис
6
23
Разрушение
апертурного зонда
слишком
мощным
входным
излучением
Заимство
вано
из
[20]
используется
вольфрамовая
спираль
с
головкой
[39],
которая «смачивается.
В
галлии
И.1И
индии,
а
они,
в
свою
очередь,
затем
ионизуются
при
помощи
поля и
ускоряются.
С
помощью
обычных
электромагнитных
линз,
которые
используются,
например,
в
ска
нирующем
электронном
микроскопе,
можно
сфокусировать
ионный
пучок
вплоть
до
размера
~
10
нм.
При
потоке
ионов
~
11
пА
и
30
кВ
можно
локально
очистить
объект
от
аJ1ЮМИНИЯ,
а
вещество,
подвергшееся
абляции,
химически
проанализировать
при
помощи
масс-спектрометра
[39].
При
значительно
более
слабом
потоке
ионов
(1
пА)
или
в
случае
противонаправленных
электронных
пучков
отслеживать
процесс
микрообработки
можно
в
условиях
пренебрежимо
малой
абляции
вещества.
Стандартная
процедура
обработки
зонда
при
помощи
ФИП
состоит
в
отсечении
конца
обычного
зонда
с
алюминиевым
покрытием
перпендикулярно
его
оптической
оси
[40].
В
зависимости
от
того
где
производится
отсечение,
можно
либо
улучшить
уже
существующую
апертуру,
сглаживая
выступающие
зерна,
либо
в
непрозрачном
зонде
создать
отверстие
необходимого
радиуса.
При
мер
объекта,
получаемого
в
про
цессе
подобной
обработки,
показан
на
6.22,
а.
Зонды,
подвергшиеся
ФИП-обработке,
об.'1адают
прекрасным
воспроизведением,
т.
к.
В
них
отсутствуют
зерна,
мешающие
приблизиться
к
образцу
на
достаточное
расстояние.
Это
является
необходимым
ус.l0вием
полного
захвата
оптического
ближнего
поля.
Кроме
того,
использование
СfJlаженных
зондов
позволяет
существенно
повысить
уровень
усиления
поля,
сильно
затухающего
при
увеличении
зазора.
Использование
в
качестве
локальных
зондов
поля
одиночных
молекул
позволило
получить
воспроизводимую
запись
распределе
ния
оптического
ближнего
поля
и
обнаружить
его
существенное
сходство
с
полем
на
отверстии
Бете-Баукампа
[40].
Для
традиционных
несглаженных
апертур
получение
таких
распределений
было
крайне
редким
явлением,
возможно
единичным,
например,
в
эксперименте,
проведенном
1993
г.
Бетцигом
(Betzig)
и
Чичестером
(Chichester)
[41].
повторить
который
не
удалось,
пока
не
были
изобретены
сглаженные
зонды,
обработанные
при
помощи
ФИП.
Одна
из
проблем
при
использовании
апертур,
обра
ботанных
ФИП,
состоит
в
установке
плоскости
отверстия
параллельно
поверхности
образца.
Обычно
продольный
размер
зонда
составляет
1
мкм,
поэтому
для получения
высокого
разрешения
его
отверстие
должно
находиться
на
расстоянии
5-10
нм
от
поверхности
образца.
Следует
ожидать
расширения
использования
ФИП-технологий
при
появлении
ФИП-приборов
следующего
поколения,
которые
будут
доступны
большему
числу
ис
с.1едователеЙ.
Создание
более
сложных,
чем
простое
отверстие,
прототипных
струк
тур
на
вершине
зонда
приведет
к
получению
усовершенствованных
структур
зонда
с
высокой
степенью
локализации
поля
и
значительным
усилением
(см.
разд.
6.5).
13
.1
НОIIОТНЫН.
Б
Хехт
194
Гл
б
Зонды
для
микроскопии
ближнего
поля
6.4.2.
Электрохимические
открывающиеся
и
закрывающиеся
апертуры.
ФИП
является
очень
привлекательной
и
простой
возможностью
микроконструиро
вания
структур,
обладающих
размерами
подходящего
для
оптики
ближнего
ПО.1Я
масштаба.
Однако
в
то
же
время
это
довольно
дорогая
и
в
основе
своей
медленная
технология.
В
дальнейшем
были
развиты
значительно
менее
дорогие
процедуры
на
дежного
изготовления
апертурных
зондов.
Здесь
мы
рассмотрим
два
альтернативных
электрохимических
процесса.
Электрохимия
обычно
связана
с
использованием
жидкой
среды,
что
создает
проблемы
при
ее
приложении
к
микроконструированию.
В
присутствии
жидкости
в
принципе
смачиваются
значительные
площади
поверхности,
поэтому
обработ
ка
материала
в
нанометровом
диапазоне
оказывается
затруднена.
Однако
спасает
ситуацию
тот факт,
что
существуют
твердые
электролиты,
обладающие
ВЫСОКИ~1
коэффициентом
транспортировки
ионов
металла
в
твердой
фазе.
Такие
электролиты
используются
для
проведения
управляемого
твердотельного
электролиза
(CASSE
1))
Самый
известный
электролит
такого
рода
-
это
аморфное
вещество,
представляющее
собой
смесь
йодида
и
метафосфата
серебра
(АgРОз:АgI),
выгодно
отличающееся
от
других
подобных
электролитов
[42]
своей
ионной
проводимостью,
оптической
про
зрачностью
и
простотой
изготовления
[43J.
Формирование
отверстия
происходит
при
внесении
полностью
покрытой
серебром
прозрачной
головки
в
твердый
электролит.
что
приводит
к
перетеканию
ионов
серебра
с
головки
в
электролит,
при
этом
меж.J.)"
головкой
и
тонким
серебряным
электродом,
находящимся
под
электролитом,
создает
ся
напряжение
~
100
мВ.
Как
правило,
для
достижения
непрерывного
потока
ГО.10В
ку
приходится
располагать
бли)Ке
к
поверхности,
чем
уровень
поперечно-силового
контакта.
Когда
интенсивность
потока
установится,
при
помощи
контура
обратной
связи
она
удер)Кивается
на
постоянном
уровне,
в
то
)Ке
время
поперечно-силовая
обратная
связь
отключена.
Дополнительный
контур
обратной
связи
используется
для
остановки
процесса, когда
фотоэмиссия
от
зонда
достигает
заранее
установленной
величины.
На
рис.
6.24
показан
результат
подобного
эксперимента.
Рис.
6.24
Апертура
на
вершине
оптического
зонда,
полученная
при
помощи
CASSE-
технологии
[43]
Обратите
внимание
на
небольшой
диаметр
отверстия
(темное
пятно
в
иентре)
и
сглаженную
торuевую
поверхность.
Изображение
представлено
с
разрешения
Дж
Токванта
(J
Тоquапt)
и
Д
В.
Поля
(D
W
Pohl)
Другой
электрохимический
метод,
по
сути
представляющий
собой
светоиндуци
рованный
процесс
коррозии,
описан
в
работе
[44J.
В
этом
подходе
апертура
создается
в
металлическом
слое
на
вершине
зонда
путем
простого
одношагового
низкомошного
термолазерного
окисления
в воде.
Вершина
головки
локально
нагревается
путе~1
поглощения
ею
света,
представляющего
собой
эванесцентное
поле,
полученное
в
ре
зультате
полного
внутреннего
отра)Кения
на
границе
стекло/вода.
Благодаря
нагреву
1)
CASSE
- controlled all solid-state electrolysis -
Примеч
пер
б
4
Изготовление
аnертурных
зондов
195
обычно
существующий
на
поверхности
алюминия
слой,
подвергшийся
такой
пасси
вации,
начинает
растворяться
в
водной
среде.
Величина
погружающей
силы,
прикла
дываемой
к
зонду,
должна
быть
достаточно
велика,
чтобы
обеспечить
контакт
между
головкой
и
стеклянной
подложкой
в
течение
всего
процесса
коррозии.
На
рис.
6.25
показан
типичный
образец,
получаемый
по
такой
технологии,
при
интенсивности
вблизи
поверхности
2,5
мВт/мкм
2
И
угле
падения
~
620.
Отверстие
формируется
в
течение
первых
5
секунд
облу
чения
головки
эванесцентным
полем.
Рис.
6.25
Формирование
отверстия
путем
термолазерного
окис
ления
Изображение
по
крытого
алюминием
кантилевера
атомно
силового
микроскопа,
облученного
в
течение
10
с
лазерным
пуч
ком
с
длиной
волны
488
нм
и
интенсивностью
2,5
мВт/мкм
2
,
полученное
при
помощи
сканирущего
электронного
микроско
па.
Видно
острие
из
нитрида
кремния,
выступающее
над
поверхностью
головки
с
плоским
торцом.
Заимствовано
из
[44]
6.4.3.
Пробивка
отверстий.
Пробивка
отверстий,
или,
другими
словами,
фор
:\Iирование
небольшого
отверстия
на
вершине
полностью
покрытой
металлом
ди
э.lектрическоЙ
головки
путем
пластической
деформации
металла
вблизи
вершины
ГО.l0ВКИ,
было
тем
методом,
который
использовали
пионеры
оптики
ближнего
поля
Д,lЯ
формирования
достаточно
плоских
отверстий
небольшой
величины
[45].
Впо
С,lедствии
этот
метод
был
развит
в
других
научных
группах
[13,
45],
т.
к.
обладал
явными
преимуществами.
Во-первых,
отверстие
формировалось
непосредственно
на
:\lecTe
его
использования,
т.
е.
изначально
непрозрачная
головка
устанавливалась
в
I\IИКРОСКОП,
и
при
незначительном
контакте
с
образцом
в
нем
возникало
отверстие.
Если
поверхность
исследуемого
образца
является
плоской,
то
и
границы
отверстия
также
будут
плоскими
и,
что
не
менее
важно,
абсолютно
параллельными
образцу.
Минимальный
зазор,
на
который
можно
подвести
головку к
образцу,
таким
образом,
очень
мал,
что
позволяет
получать
большое
разрешение
в
оптической
визуализации.
Во-вторых,
так
же
как
и
в
методе
CASSE,
размер
отверстия
можно
контролиро
вать,
записывая
интенсивность
излучения,
исходящего
из
области
острия
головки
в
да,lьнем
поле
в
течение
всего
процесс
а
прессовки.
На
рис.
6.26
показан
образец,
по.lученныЙ
при
пробивке
протравленного
оптического
волокна,
напыленного
слоем
ЗО.l0та
толщиной
200
нм.
Можно
наблюдать
круглое
отверстие
с
плоской
границей.
Рис
6
26
Изображения
со
сканирующего
электронного
микроскопа:
а
-
вид
сбоку
и
б
-
вид
сзци
отверстия
с
диаметром
100
нм,
полученного
методом
пробивки
Заимствовано
из
[46]
6.4.4.
Зонды,
полученные
в
результате
микропроизводства.
Так
как
созда
ние
отдельных
зондов
представляет
собой
утомительную
и не
всегда
воспроизво
димую
в
других
лабораториях
процедуру,
весьма
желательной
видится
перспектива
196
Гл.
6.
Зонды
для
микрос/(оnии
ближнего
поля
производства
больших
партий
стандартизированных
зондов,
например
с
использо
ванием
установленной
кремниевой
технологии
микроконструирования.
Это
позволит
получать
большое
число
зондов
с
одинаковыми
свойствами
по
размеру
отверстия,
его
форме
и,
следовательно,
коэффициенту
прохождения.
Был
предложен
ряд
идей,
так
же
осуществлено
несколько
попыток
создания
таких
зондов
с
помощью
стандартной
технологии
АСМ-кантилеверной
технологии.
Очевидной
проблемой
этой
концепции
является
подведение
света к
текущему
оптическому
зонду.
Хорошим
решениеl\1
представляется
интеграция
волновода
в
кантилевер
[47].
Однако
это
усложняет
его
общее
устройство
и
вносит
дополнительные
проблемы.
По
этой
причине
большин
ство
разработчиков
предпочитают
иметь
дело
исключительно
с
МИКРОПРОИЗВОДСТВОI\l
апертурных
зондов.
Затем
такие
зонды
должны
быть
присоединены
к
волноводам
или
встроены
в
кантилевер.
На
рис.
6.27
представлен
итог
некоторых
разработок.
имевших
целью
создание
гибридных
зондов.
Они
несут
в
себе
как
преимущества
волноводов,
подводящих
свет из
удаленного
пространства,
так
и
преимущества
воспроизводимости
микропроизводства.
а
5мкм
150мкм
в
Аl-слой
100
им
Рис
6.27
Микросконструированные
зонды
на
основе
оптических
волокон
а
-
микро
сконструированный
фотопластический
зонд,
присоединенный
к
концу
одномодового
волокна
Заимствовано
из
[48];
б
-
гибридный
оптический
волоконный
зонд
Из
[49],
в
-
еще
один
при мер
такого
прибора.
Заимствовано
из
[50]
б
4
Изготовление
аnертурных
зондов
197
Исследуя
прототипы
зондов,
Крогмейер
(Krogmeier)
и
Данн
(Dunn)
усовершен
ствовали
поставляемый
производителем
кантилевер
при
помощи
ФИП-микроконстру
ирования
[51],
присоединив
стеклянную
сферу
с
высоким
коэффициентом
преломле
ния
к
стандартному
АСМ-кантилеверу
(см.
рис.
6.28,
слева).
Затем
эта
сфера
была
превращена
при
помощи
сфокусированной
бомбардировки
ионным
пучком
в
пирами
дальную
головку,
углом
раскрытия
которой
можно
было
управлять
(см.
рис.
6.28,
справа).
Рис
6
28
АСМ-кантилевер,
усовершенствованный
посредством
сфокусированной
ионной
бом
бардировки.
См.
подробности
в тексте.
Заимствовано
из
[50]
После
покрытия
всей
конструкции
алюминием
при
помощи
ФИП-технологии
создавалось
отверстие
с
определенным
заданным
размером.
Такой
тип
разработки
ЯВJ1яется
прекрасным
примером
преимущества
ФИП-фрезеровки
для
производства
уникальных
прототипов
структур
в
нанооптике.
Использование
высокорефрактивных
~Iатериалов
и
возможность
создания
больших
углов
раскрытия
позволяют
сдвинуть
модовую
частоту
отсечки
к
зондовой
и,
таким
образом,
увеличивают
коэффициент
прохождения
света
через
зонд
(см.
разд.
6.3.1).
Серийное
производство
оптических
зондов
на
основе
кантилеверов
было
реализо
вано
Экертом
(Eckert)
и
др.
[52].
Они
преуспели
в
производстве
кварцевых
головок
на
кремниевых
кантилеверах,
покрытых
алюминием.
Использование
высокорефрак
тивного
кварца
позволило
повысить
коэффициент
прохождения
в
этой
геометрии
по
сравнению
с
упомянутым
выше
полым
пирамидальным
устройством
[53].
Интересным
обстоятельством
является
то,
что
даже
при
полном
покрытии
голов
ки
алюминием
она
сохраняла
способность
пропускать
свет.
На
рис.
6.29
показано
изображение
всей
структуры,
полученное
на
сканирующем
электронном
микроскопе.
На
вставке
более
крупным
планом,
полученным
на
туннельном
электронном
мик
роскопе,
показана
полностью
покрыта
я
алюминием
вершина
головки.
При
использо-
Рис
6
29
Полученное
сканирующим
оптическим
микроскопом
изображение
кремниевого
канти
.1евера,
встроенного
В
покрытую
алюминием
кварцевую
головку.
На
вставке
показано
изображе
ние
головки,
полученное
с
помощью
туннельного
электронного
микроскопа.
Головка
полностью
покрыта
алюминиевым
слоем
толщиной
60
нм,
тем
не
менее
она
пропускает
свет
[52]
198
Гл
б.
Зонды
для
.микроскопии
ближнего
поля
вании
в
качестве
зонда
одиночной
молекулы
было
получено
оптическое
разрешение
::::::
30
нм.
Получившиеся
распределения
указывают
на
наличие
эффекта
усиления
поля.
Рассматривавшиеся
выше
кантилеверные
зонды
могут
быть
классифицированы
как
«пассивные»,
т.
к.
они
оказывают
влияние
только
на
распространение
света.
а
не
на
его
генерацию.
«Активными»
могут
быть
названы
такие
зонды,
которые
либо
непо
средственно
преобразуют
интенсивность
оптического
ближнего
поля
в
электрический
сигнал,
либо
сами
являются
субволновыми
источниками
света
под
действием
элек
трического
тока.
В
дальнейшем
мы
обсудим
два
характерных
подхода
к
реализации
активного
детектирующего
зонда.
Для
сочетания
высокого
продольного
разрешения
АСМ
с
ближнепольными
оптическими
измерениями
было
предложено
использовать
микросконструированные
кантилеверы
на
пьезоэффекте
в
качестве
миниатюрных
фоточувствительных
элементов.
Такой
сенсор на
кремниевой
основе
состоит
из
допи
рованного
частицами
р-типа
(дырками)
пьезорезистивного
пути,
также
включающего
в
себя
головку.
Сопротивление
пьезорезистивного
участка
может
варьироваться
либо
при
ПО~IOщи
давления
на
кантилевер,
либо
при
помощи
света.
Если
необходимо
сочетать
опти
ческие
и
топографические
измерения,
эванесцентое
поле
над
исследуемым
образцо!\!
должно
быть
создано
при
помощи
ПВО.
Так
как
головка
АСМ
-
это
единственная
часть
кантилевера,
попадающая
в
эванесцентное
поле,
она
может
использоваться
в
качестве
оптического
зонда.
В
работе
[54]
показано,
что
можно
выделить
эва
несцентное
экспоненциальное
поле
из
комбинированных
силовых/оптических
изме
рений.
Для
разделения
оптической
и
топографической
информации
интенсивность
эванесцентого
поля
модулируется.
а
оптический
сигнал
измеряется
в
синхронной
схеме.
Еще
один
подход
использует
тот
факт,
что
кремниевые
микроструктуры
в
принци
пе
совместимы
с
интегральными
электронными
функциональными
ВОЗМОЖНОСТЯ~IИ
Стандартный
кремниевый
кантилевер
n-типа,
например,
можно
снабдить
ДИОДО~I
Шоттки
(переход
полупроводник-металл)
на
острие
головки
путем
выпаривания
тон
кого
слоя
металла,
как
показано
на
рис.
6.30 [55].
Такие
зонды
хорошо
подходят
Д,lЯ
детектирования
оптических
ближних
полей
при
низкой
фоновой
засветке,
например
при
использовании
в
качестве
подсветки
эванесцентного
поля.
Металлические
покрытия
Рис.
6
30
Вид
сверху
и
сбоку
на
допированный
частицами
II-типа
кремниевый
каНТИ.lевер
с
головкой
Два
последовательно
проведенных
процесса
испарения
металла
rIОЗВО.~ЯЮТ
превра
тить
острие
головки
в
диод
Шоттки
Заимствовано
из
[55]
б
4
Изготовление
аnертурных
зондов
199
для
создания
активного
светоизлучающего
зонда
можно
установить
непосред
ственно
за
оптическим
зондом
источник
лазерного
излучения.
На
рис.
6.31
показаны
две
структуры.
в
которых
это
было
реализовано.
На
рис.
а
диодный
лазер
покрыт
многослойной
металлической
оболочкой,
в
которой
при
помощи
ФИП-фрезеровки
вырезано
небольшое
отверстие.
Такая
структура
предназначена
для
использования
в
оптических
записывающих
головках
[56].
В
более
поздних
разработках
в
канти
,lевер
на
арсениде галлия
(GaAs)
встроен
лазер
поверхностного
излучения
с
верти
Ka,lbHblM
резонатором
(ЛПИВР),
излучающий
на
длине
волны
980
нм
[57].
Рис
631
а
-
Ни~коаllертурный
лазерный
диод
Заимствовано
из
[56]
б
-
ЛПИВР,
встроен
IIЫЙ
в
кантилевер
на
GaAs
Заимствовано
из
[57]
Важнейшей
целью
оптической
микроскопии
ближнего
поля
является
достижение
пространственного
разрешения
порядка
~
10
нм
В
стандартных,
типовых,
образцах.
8еJlичина
10
нм
-
это
масштаб
длины,
на
котором
проявляются
квантоворазмерные
эффекты
в
полупроводниковых
наноструктурах,
а
также
это
размер
протеинов
в
био
.10гических
мембранах.
Однако.
как
указывалось
выше,
низкий
коэффициент
прохождения
через
апер
туру
зонда
является
ограничивающим
фактором
в
оптической
ближнепольной
ви
зуа.lJизации
высокого
разрешения.
Диаметр
отверстия
не
может
быть
произвольно
уменьшен,
поскольку
для
того
чтобы
поддерживать
отношение
сигнала
к
шуму
на
разумном
уровне,
необходимо
гарантировать
минимум
прохождения
света.
Проблему
невозможно
решить,
произвольно
увеличивая
мощность
входящего
излучения,
из-за
теРlllического
нагрева
металлической
оболочки.
Таким
образом,
необходимо
исследо
вать
альтернативные
пути
достижения
нанометровой
локализации
света.
Например,
из
теории
волноводов
известно,
что
волноводы,
состоящие
из
двух
параллельных
изолированных
металлических
структур,
не
имеют
частоты
отсечки.
Таким
образом.
коэффициент
прохождения
через
апертурный
зонд
можно
повысить,
разрезая
метал
.1ическую
оболочку
по
двум
линиям
вдоль
оси
зонда.
Тогда
поле
преимущественно
,10кализуется
вблизи
получающихся
разрезов.
Чтобы
иметь
только
источник
ближне
го
поля.
конец
зонда
необходимо
срезать
под
непрямым
углом,
таким,
чтобы
только
200
Гл.
б.
Зонды
для
микроскопии
ближнего
поля
один
из
двух
разрезов
формировал
переднюю
часть
зонда.
Еще
одним
вариантом
зон
да,
предложенным
для
преодоления
проблемы
низкого
прохождения
света,
является
коаксиальный
зонд,
состоящий
из
концентрических
изолированных
металлических
структур,
или
антенньнбабочка»
[58].
Обзор
других
зондовых
устройств
приведен
в
следующем
разделе.
6.5.
Оптические
антенны:
головки,
рассеиватели,
антенны-«бабочка»
По
сути
создание
оптического
зонда
ближнего
поля
представляет
собой
класси
ческую
проблему
создания
антенны.
В
случае
когда
устройство
работает
на
прием.
задача
состоит
в
том,
чтобы
электромагнитную
энергию
каналировать
в
зону
ближ
него
поля.
И
наоборот,
когда
оно
работает
как
излучатель,
необходимо
вывести
энергию
из
ближней
зоны.
Антенна
-
это устройство,
устанавливающее
эффектив
ную
связь
между
ближним
полем
и
полем
в
дальней
зоне
посредством
согласования
импедансов.
Хотя
теория
антенн
была
создана
изначально
для
радиочастотного
и
микроволнового
диапазонов
электромагнитного
спектра,
можно
надеяться
почерп
нуть
в
ней
новые
идеи
и
для
оптического
частотного
диапазона
[59].
Естественныы
явлением
в
теории
антенн
является
усиление
поля.
Оно
возникает
благодаря
TO~IY.
что
антенна
концентрирует
электромагнитную
энергию
в
узком
пространстве,
таКИ~1
образом
формируя
зону
высокой
плотности
энергии.
В
контексте
оптики
ближнего
поля
желательно
было
бы
использовать
это
свойство
для
создания
сильнолокализо
ванных
источников
света.
Простейший
тип
антенн,
хотя
и
не
слишком
совершенный
в
отношении
согласования
импедансов,
-
это
узконаправленная
головка.
действую
щая
по
принципу
антенны-громоотвода,
такого
как
устанавливают
на
крышах
Д.1Я
притяжения
молнии.
В
оптике
ближнего
поля
остроконечные
облучаемые
лазеРО~1
металлические
головки
доказали,
что
могут
служить
действенными
зондами
ближ
него
поля.
6.5.1.
Твердотельиые
металлические
головки.
Идея
оптической
микроскопии
ближнего
поля,
основанная
на
локальном
усилении
поля,
была
предложена
в
1985
г
.
еще
до
изобретения
атом
но-силовой
микроскопии
[60].
С
тех
пор
были
осуществлены
различные
связанные
с
этой
идеей
внедрения,
в
основном
использующие
острую
вибрирующую
иглу
для
локального
рассеяния
ближнего
поля
вблизи
поверхности
образца.
Для
дискриминации
слабого
рассеянного
сигнала,
исходящего
от
острия
иг
лы,
и
фонового
излучения
из
дифракционно-ограниченной
области
подсветки
обычно
используются
гомо-
и
гетеродинные
схемы
детектирования,
работающие
на
принципе
синхронизма.
Было
показано,
что
при
определенных
условиях
рассеивающий
объект
также
может
действовать
как
локальный
источник
[60,
61].
Как
обсуждалось
выше,
этот
источник
света
возникает
благодаря
эффекту
усиления
поля,
схожему
по
своеыу
происхождению
с
эффектом
громоотвода
в
электростатике.
Таким
образом,
вместо
того
чтобы
использовать
объект
для
рассеяния
излучения
ближнего
поля
образца.
он
используется
как
локальный
источник
для
возбуждения
ближнего
поля,
с
тем
чтобы
впоследствии
измерить
спектроскопический
отклик
образца.
Такой
подход.
требует
проведения
одновременно
спектральных
и
субдифракционных
пространствен
ных
измерений,
но
при
этом
очень
сильно
зависит
от
величины
фактора
усиления
поля
[62].
Последний
же
является
функцией
длины
волны,
материальных
констант.
геометрии
и
поляризации
возбуждающего
светового
поля.
Хотя
теоретические
ис
следования
привели
к
несогласованному
разбросу
значений
для
фактора
усиления.
65
Оптические
антенны.
головки,
рассеиватели,
антеННbl-~бабочка»
201
они
становятся
согласованными
при
учете
поляризационных
условий
и
локальных
распределений
поля.
На
рис
6.32
показаны
распределения
поля
вблизи
острой золотой
головки,
погруженной
в
воду
и
возбуждаемой
двумя
различными
монохроматическими
плос
КИ~IИ
волнами.
Длина
волны
облучающего
света
л
= 810
нм.
Для
диэлектрических
~t,,~
',,:
•
1&
'-':,'
~'
\ "
.1-
•.
6.0:
I
Рис
6
32
Ближнее
поле
золотой головки
(имеющей
радиус
5
нм),
находящейся
в
воде
и
освещаемой двумя
монохроматическими
волнами
на
длине
волны
л
=
810
нм.
Направление
и
ПО.lяризация
падающей
волны
указаны
векторами
k
и
Е
На
рисунках
показаны
линии
уровня
ве.1ИЧИНЫ
E~ (между
соседними
кривыми
коэффициент
2).
Поле
вблизи
головки
на
рис.
б
практически
аксиально
симметричное
констант
головки
и
воды
были
взяты
значения
Е
=
-24,9
+ 1,57i
и Е
= 1,77
соот
ветственно.
На
рис.
6.32,
а
показана
ситуация,
когда
плоская
волна
падает
снизу,
при
ЭТОМ
ее
поляризация
перпендикулярна
оси
головки,
а
на
рис.
6.32,
б
головка
освещается
сбоку
и
поляризация
направлена
вдоль
оси
головки.
Между
этими
двумя
С.lучаями
наблюдается
существенное
различие:
на
рис.
6.32,
б
интенсивность
вбли
зи
острия
головки
заметно
возрастает
по
сравнению
с
интенсивностью
подсветки,
в
то
же
время
на
рис.
6.32,
а
мы
не
видим
усиления
поля
под
головкой.
Такой
результат
означает,
что
наличие
большой
компоненты
возбуждающего
поля
осевого
направления
играет
решающую
роль
в
получении
эффективного
усиления
поля.
Расчет
для
случая
платиновой
и
вольфрамовой
головки
показывает
более
низкое
усиление.
а
в
случае
диэлектрической
головки
поле
под
ней
является
ослабленным
по
отношению
к
возбуждающему
полю
(см.
разд.
6.2).
На
рис.
6.33
показаны
распределения
плотности
зарядов
для
двух
случаев.
изображенных
на
рис.
6.32.
Падающий
свет
создает
поток
свободных
электронов
~lетаЛJ1а
в
направлении
поляризации.
Так
как
в
каждый
момент
времени
плотность
заряда
внутри
металла
должна
быть
равна
нулю
(V'E =
О),
заряды
скапливаются
на
поверхности
металла.
В
случае
когда
поляризация
падающего
поля
перпендику
.lярна
оси
головки
(рис.
6.32,
а),
диаметрально
противоположные
точки
поверхности
имеют
противоположные
заряды.
Вследствие
этого
самый
кончик
головки
остается
незаряженным.
С
другой
стороны,
когда
падающая
поляризация
параллельна
оси
го
.1ОВКИ
(рис.
6.32.
б),
распределение
плотности
заряда
на
головке
обладает
аксиальной
СИЫ~lетрией,
а
наибольшее
значение
достигается
именно
на
кончике.
В
обоих
слу
чаях
поверхностный
заряд
формирует
периодическую
стоячую
волну
(поверхностные
п.lаЗI\IОНЫ)
с
меньшей
длиной
волны,
чем
у
света,
используемого
для
подсветки,
что
указывает
на
необходимость
учета
эффекта
запаздывания
при
описании
ситуации.
202
Гл.
6.
Зонды
для
микроскопии
ближнего
поля
......
50
нм
........
Рис
6
33.
Индуцированная
поверхностная
плотность
заряда,
отвечающая
ситуации.
изобра
женной
на
рис
632,
а
(слева)
и
на
рис.
6.32,
б
(справа).
В
обоих
случаях
поверхностный
заря.1
образует
стоячую
волну
В
случае
а
поверхностный
заряд
равен
нулю
на
конце
головки.
пр!!
этом
В
случае
б
на
конце
наблюдается
высокая
степень
накопления
поверхностного
заряда.
ответственного
за
усиление
поля
Эффективность
усиления
поля
чрезвычайно
важна
для
приложений,
связанных
с
визуализацией.
Непосредственная
подсветка
поверхности
образца
дает
вклад
в
фо
новое
излучение
дальнего
поля.
Если
мы
рассмотрим
оптическое
взаимодействие.
возникающее
внелинейном
процессе
n-го
порядка,
и
предположим,
что
оно
локали
зуется
только
в
при
поверхностном
слое
образца, то
фоновая
дальнепольная
засветка
будет
пропорциональна
Srr
rv
А/о,
(6.25)
где
А
-
площадь
освещаемой
поверхности,
а
/0 -
интенсивность
лазерного
ИЗ.1У
чения.
Сигнал,
который
необходимо
измерить
и
изучить
(сигнал
ближнего
по.1Я).
возбуждается
усиленным
полем
головки.
Если
ввести
для
фактора
усиления
интен
сивности
электрического
поля
(Е2)
коэффициент
11'
получим,
что
интересующий
нас
сигнал
ближнего
поля
пропорционален
(626)
где
а
-
уменьшенная
в
зависимости
от
размера
головки
площадь
Если
мы
потре
буем,
чтобы
уровень
сигнала
был
выше
уровня
шума
(Snr/Srr
>
1),
и
использ}е~1
реальные
цифры
для
площадей
(а
= (10
нм
2
),
А
= (500
нм:!),
то
получим.
что
коэффициент
усиления
должен
удовлетворять
условию
Ii >
~2500.
(6
27)
Для
процессов
первого
порядка
(n = 1),
таких
как
флуоресценция,
неоБХОДИ~1
коэффициент
усиления
от
3
до
4
порядков
амплитуды,
что
ниже
рассчитанных
значений.
Таким
образом,
необходимо
привлекать
нелинейные
процессы
более
высо
кого
порядка.
Для
нелинейного
процесса
второго
порядка
необходимый
коэффициент
усиления
равен
всего
лишь
50.
Именно
по
этой
причине
в
первых
экспериментах
использовалось
двухфотонное
возбуждение
[61].
Для
достижения
максимального
усиления
предлагались
головки
различной
формы
и из
различных
материалов.
Было
установлено,
что
конечно-размерные
вытянутые
формы
обладают
очень
низким
уров
нем
подавления
излучения
и,
следовательно,
обеспечивают
очень
высокие
коэффици-