Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) Минимальное расстояние между двумя объектами наблюдаемыми раздельно в микроскопе, n – индекс рефракции, Θ – угол соответствующий половине апертуры объектива.
Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) 2 Уравнение для оптической волны вблизи объекта рассеяния, где Ко – волновой вектор излучения в вакууме, Кх, у – волновые вектора для плоских вол в пространстве. Акомплексная амплитуда. Уравнение определяет набор плоских волн распространяющихся в пространстве при Кх, у < Ко. Из этого уравнения для плоских волн следует ограничение на пространственное разрешение достигаемое в оптической микроскопии: Плоские волны Затухающее ближнее поле При кх, у > ко. Решение уравнения возможно, но волна будет распространяться только в х-у плоскости и экспоненциально затухать в Z направлении. Это так называемое затухающее или ближнее поле. может быть зарегистрировано Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Угловое спектральное представление электромагнитной волны света в виде плоских волн дает точное решение для волнового уравнения. Оно показывает, что расстояние, которое разделяет поверхность нано-структурированного объекта облучаемого плоской волной играет роль низкочастотного фильтра. Фурье компоненты поля в плоскости объекта (z = 0) могущие распространяться на большие расстояния до оптического детектора являются теми которые имеют поперечные изменения в масштабах больших чем λ. Высокочастотные компоненты дают вклад только в ближнее поле существующее у поверхности и быстро затухающее с расстоянием.
Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) 4 Вблизи любого излучающего объекта существует область ближнего поля - экспоненциально затухающие волны на расстояниях < l Для регистрации ближнепольного излучения необходимо приблизиться к исследуемому объекту на расстояние << l При рассеянии ближнего поля на объекте происходит конверсия результатов рассеяния из ближнего поля в дальнее, которое и регистрируется детектором Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Схема СБОМ Требования к СБОМ Точечный источник света с апертурой < l Сканирование на расстоянии d~10 нм от поверхности образца Сбор и детектирование оптического сигнала В дальнем поле Исследование локальных оптических свойств объекта с разрешением << l Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии 5
6 Оптическиезонды для СБОМ Оптический зонд – наиболее ответственная часть СБОМ Вытягивание Травление ð Высокая эффективность ð Отсутствие утечки света ð Правильная круглая апертура ð Высокий порог оптического повреждения Оптоволокно с напылением ð Вытягивание оптоволокна при нагреве лазером или спиралью накаливания ð Травление оптоволокна в плавиковой кислоте или HF ð Напыление металла на поверхность волокна (Al, Au, Pt) 300 nm Нанесение Al покрытия Стандартные АСМ зонды с отверстием или безапертурные Зонды, заполненные светоизлучающим составом Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
СБОМ, оптичекиезонды Формирование торца – a) Трением b)Травлением в кислоте c)Напылением под острым углом d)Травлением в электролите e)Травлением ионным пучком Ga Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии 7
8 Контроль расстояния до поверхности Обычный метод (АСМ) Контроль поперечных сил Используется редко из-за Контролируется амплитуда резонансных колебаний паразитного влияния кварцевой вилки, которая лазерного излучения зависит от силы взаимодействия детектора обратной связи зонда с поверхностью Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Идея безапертурного зонда: - наноразмерная частица помешенная в район ближнего поля будет являться антенной переизлучающей ближнее поле в диапазон дальнего. Замена частицы на металлический зонд с наноразмерным острием даст тот же эффект.
Режимы работы аппретурных зондов 10 а – облучение дальним полем – регистрация в ближнем поле, b – облучение в ближнем поле, регистрация в далнем поле, с – облучение и регистрация в ближнем поле, d – облучение в условием полного внутреннего отражения, регистрация в ближнем поле Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Режимы работы безапертурных зондов Облучение металлического зонда дальним полем приводит к возникновению ближнего поля на острие зонда. Результат рассеяния этого ближнего поля образцом собирается отдельной оптической системой. Результат взаимодействия ближнего поля зонда с образцом собирается оптической системой производящей облучение. Способ годиться в случае существенной разнице в длине волны исходного излучения и рассеянного.
Пространственное разрешение СБОМ 12 Зависит от нескольких факторов ð С апертурными зондами • Радиус апертуры зонда 20– 200 нм • Толщина скин-слоя Al покрытия ~ 5 нм • Предельное полученное разрешение близко к расчетному ≈ 12 нм ð С безапертурными зондами • Радиус закругления кончика зонда < 5 нм • Возможность получить практически атомарное разрешение ð Соотношение сигнал/шум Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Работа. СБОМ в проходящем свете 13 Тонкие прозрачные образцы Зонд создает локализованное излучение ближнего поля вблизи поверхности образца Прошедший свет фокусируется оптической системой микроскопа и детектируется ФЭУ в области дальнего поля В процессе сканирования одновременно строится рельеф поверхности и величина интенсивности прошедшего света Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Работа. СБОМ в отраженном свете 14 Непрозрачные образцы Зонд создает локализованное излучение ближнего поля вблизи поверхности образца Отраженный свет фокусируется оптической системой микроскопа и детектируется ФЭУ в области дальнего поля В процессе сканирования одновременно строится рельеф поверхности и величина интенсивности отраженного света Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Контраст в. СБОМ 15 Регистрируемые величины ðИнтенсивность • Показатель преломления • Коэффициенты поглощения/отражения ðПоляризация • Двулучепреломление • Дихроизм • Магнито- и электрооптические эффекты ðДлина волны • Флюоресценция и фосфоресценция • Рамановская спектроскопия Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Примеры. СБОМ изображений: латексные шарики 16 5 х5 мкм Проходящий свет Флюоресценция Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
СБОМ, флуоресцентный метод Диаграмма Яблонского поясняющая процессы возбуждения, флюоресценции и фосфоресценции (люминесценции).
СБОМ, флуоресцентный метод Серия картинок фотолюминесценции отдельных молекул Di. IC 18 включенных в пленку PMMA толщиной в 10 -nm. Поляризация возбуждающего излучения менялась на противоположную (a) и (b) и затем на круговую. Видно соответствующее изменение излучения молекулы. Молекула обведенная кругом имеет дипольный момент перпендикулярный плоскости образца Масштабная метка - 300 nm. Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии 18
СБОМ, флуоресцентный метод 19 Одновременное топографическое (a) флуоресцентное ближнеплльное изображение с использованием металлического зонда-усилителя, (b) агрегированного состояния красителя в пленке РVS на стеклянной подложке. Tтопографическое сечение вдоль линии (A–B) дает ширину на полувысоте 35 -nm для выделенной особенности и соответствующую 30 -nm FWHM для флуоресцентного изображения Использование металлического зонда приводит к усилению поля вблизи его острия что в свою очередь значительно увеличивает интенсивность процессов связанных с полевым возбуждением – флюоресценции и резонансным возбуждением плазмонов. В этом случае удается получить разрешение до 30 нм в режиме флюоресценции. Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
СБОМ, Рамановская спектроскопия Схема процессов при взаимодействии излучения с веществом: a – поглощение в оптической области; b – поглощение в ИК-области c ; – комбинационное рассеяние света, вверху –стоксово внизу , – антистоксово Спектральные линии-спутники сопровождают каждую линию первичного света. Сдвиг спутников по частоте относительно первичной линии характеризует рассеивающее вещество и равно собственным частотам молекулярных колебаний. Спутники представляют собой две группы линий, расположенных симметрично относительно возбуждающей линии.
СБОМ, Рамановская спектроскопия 21 Высокоразрешающая Рамановская карта (a) и одновременно детектируемая топографическая карта (b) одностенной фулереновой трубки (SWNT) на стекле. Область сканирования 1 × 1 μm 2. Рамановский спектр записывался при возбуждении лазером 633 nm. Дополнительные топографические структуры не дают вклад в рамановский спектр подтверждая высокую химическую селективность метода (c) Внизу сечения вдоль пунктирной линии. Высота трубки 1. 4 nm. Величины по оси У количество счетов фотонов для рамановской спектроскопии и высота в нанометрах для топографии. Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
Использование КР вместе с зондовым методом для увеличения разрешающей способность метода и увеличения интенсивности спектра КР. Использование зонда уменьшает анализируемую область с 300 до 10 нм.
СБОМ, Рамановская спектроскопия Рисунок показывающий степень усиления рамановского спектра с помощь металлического зонда по сравнению с полученным без усиления для пленки (a) молекул C 60 на стекле И (b) молекул красителя (Brilliant Cresyl Blue) на поверхности золотой пленки Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии 23
СБОМ, полупроводники 24 Картина ближнепольной фотолюминесценции при низкой температуре (10 K) квантовых точек и квантовой проволоки записанные при различных энергиях регистрации в схеме (облучение/регистрация: (a) фотоэмиссия квантовой плоскости, (b) фотоэмиссия квантовой проволоки и (c) фотоэмиссия из квантовых точек. Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии
СБОМ, плазмоны Трехмерное представление распределения интенсивности затухающего ближнего поля при полном внутреннем отражении в призме а) и b) то же при напылении пленки серебра толщиной 53 nm на поверхности призмы. Скан 40 μm. Экспоненциально затухающий хвост связан с распространением плазмонов. Картинка между – двухмерная Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии 25
Распространение плазмонов вдоль направленных дефектов Поверхностные направляющие движения плазмонов вдоль каналов образованных сжатием золотой поверхности. (a) Топографическое изображение (30 μm на 30 μm) каналов. (b–f ) Интенсивность поверхностных плазмонов записанная стекловолоконным зондом при возбуждении длинами волн: 713 nm, 750 nm, 785 nm, 815 nm, и 855 nm, соответственно.
СБОМ, фотолитография Фото деформация фоточувствительного полимера воздействием ближнего поля. Ширина линии в наиболее тонкой части – около 100 nm. АФМ изображение линейной структуры образованной при двухфотонном процессе в ближнем поле. Фоторезист - SU-8 экспонировался при воздействии покрытого металлом кремниевого кантилевера. Использовалось излучение 790 nm. Картинка подтверждает, что при помощи безапертурной ближнепольной фотолитографии можно получать структуры 70 nm ± 10 nm Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии 27
Скачать презентацию Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия СБОМ Минимальное расстояние между
L3 СБОМ.ppt