Глава IX. Раздел 4. Микроскопия ближнего поля.

До последнего времени было принято полагать, что предел в оптике ставит фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических приборов, заключающийся в том, что минимальный размер R различимого объекта может быть меньше длины волны Хиспользуемого света (но незначительно) и принципиально ограничен дифракцией излучения.

X

2n

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 формирования оптическими методами различных структур нанометровых размеров, которые во много раз меньше длины световой волны X. В ближнепольной оптической микроскопии используются иные принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне 10 нм и лучше. В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения).

При прохождении света через субволновое отверстие диаметром 2а наблюдается ряд особенностей. Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложную структуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях Z lt; 100 а располагается так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, в виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы.

P =128k4a6W0 27п              0

Оценочные расчеты показывают, что для излучения с длиной волны порядка X = 500 нм и диафрагмы с отверстием ~ 5 нм мощность излучения в дальней зоне составляет по порядку величин 10-10 от мощности падающего излучения. Поэтому, на первый взгляд, кажется, что использование малых отверстий для построения растровых 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 образом, ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы 1(х,у| Контраст на БОМ изображениях определяется процессами отражения, 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 идентифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в ближнем световом поле, которое локализовано в окрестностях нанообъекта. Методика получила название ближнепольной оптики и является удачным сочетанием элементов обычной оптики и сканирующей зондовой микроскопии. Отличительным элементом ближнепольных приборов является оптический зонд (рис.

между исследуемой поверхностью и апертурой зонда, h lt;Х. Штрихами очерчена область ближнепольного контакта.

Часть светового потока, распространяющегося по волокну, проходит через выходное сечение зонда как сквозь диафрагму в металлическом экране и достигает образца, расположенного в ближнем поле источника. Если расстояние h до поверхности образца и радиус d диафрагмы удовлетворяют условию то размер светового пятна на образце близок к размеру диафрагмы. При перемещении зонда вдоль образца возможна реализация разрешения, не ограниченного дифракцией, или сверхразрешения. Ее первое подтверждение

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

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 Я/20 на приборе, работающем в видимом оптическом диапазоне и получившем название ближнепольного сканирующего оптического микроскопа (БСОМ). Чуть раньше в той же лаборатории 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 энергетическую эффективность зондов и обеспечить надежный контроль расстояния между острием и образцом.

говоря уже об операторском мастерстве и искусстве анализа получаемых изображений.

Одна из простейших схем ближнепольного микроскопа представлена на рис. 9.4.2, где 1 - микрообъектив, работающий в отраженном свете; 2 - микрообъектив, работающий в проходящем свете; 3 - пьезодвижитель для перемещения зонда; штрихом показана область ближнепольного контакта.

К настоящему времени создано около 20 типов БСОМ, различающихся особенностями оптической схемы и функциональным назначением зонда. В зависимости от наличия или отсутствия диафрагмы на конце зонда их можно разбить на две основные группы: апертурные и безапертурные. Принцип действия апертурных БСОМ, составляющих преобладающее большинство современных приборов, поясняет приведенная на рис. 9.4.2 блок-схема микроскопа.

Луч лазера (обычно гелий-неонового или аргонового) через согласующий элемент попадает в заостренное металлизированное волокно и на выходе сужается до размеров диафрагмы. Взаимное перемещение острия и образца в трех измерениях х, 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 фотоумножитель. Такой микрообъектив, как правило, входит в схему обыкновенного оптического 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).

Чтобы установить острие на нужной высоте над образцом, во всех сканирующих зондовых микроскопах используют зависимость величины I регистрируемого сигнала от z. В большинстве типов БСОМ зависимость I(z) неоднозначна, поскольку наряду с ближнепольным сигналом I1 регистрируется также периодически изменяющийся с z сигнал I2, вызванный интерференцией падающей и переотраженных в системе зонд—образец волн. Это затрудняет или делает полностью невозможным надежный контроль z. по величине I=I1+I2 при сближении острия с образцом. Лучшим решением проблемы является введение в БСОМ вспомогательных узлов, позволяющих им осуществлять также функции сканирующего туннельного или атомно-силового микроскопов, в которых определение z не вызывает существенных трудностей.

В таких комбинированных приборах запись изображения осуществляется одновременно по двум каналам, один из которых воспроизводит рельеф поверхности, а другой — локальное распределение показателя преломления в тончайшем приповерхностном слое. Возможность различения оптического и топографического контрастов существенно упрощает интерпретацию изображения.

Основной характеристикой БСОМ является пространственное разрешение, которое 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 оптической системы описывается распределением Эри. Полуширина главного максимума распределения соответствует разрешению по Рэлею: Ах = 0,61А^тф, где ф- апертурный угол. В пределе при ф^- п/2 Ах^ Ах^ = 0,61 А. При прохождении света через малую диафрагму из-за рассеяния и геометрических ограничений происходит искажение и расширение Af спектра переносимых пространственных частот, которое также описывается распределением Эри Af=0,61/a.

Критерий Рэлея является одной из иллюстраций принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому любая попытка повысить степень локализации или точность определения положения Ах источника света приводит к возрастанию неопределенности Арх сопряженного импульса фотонов. При рассеянии фотонов в максимальном диапазоне углов -п/2 lt;фlt;п/2 Apx=hAkx=4nh/A (h - постоянная Планка, kx - х - компонента волнового вектора k) и Ахgt;А/2. Возможность реализации разрешения Ахlt;lt; А/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 позволяет варьировать другие. Можно принять, например, ky =0, kz =-iy, где у — вещественное положительное число. Тогда kz=(k -kz) =(k +у ) gt;k. При у^да область допустимых значений kx неограниченно растет, а Ах может быть сколь угодно малым.

Полученные Бете и позднее несколько уточненные формулы, описывающие распределение поля непосредственно за диафрагмой (z^+0), до настоящего времени остаются единственным строгим аналитическим представлением ближнего поля. В последнее время большое внимание уделяют разработке методов компьютерного 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 определяется размером ячеек, то есть в конечном итоге разумным временем вычислений, и составляет ~1 нм. Использование методов моделирования позволило наглядно представить структуру поля не только в зазоре зонд-образец, но и в части зонда, примыкающей к вершине и близкой к сечению отсечки основной волноводной моды. Было показано, в частности, что распределение поля в зонде характеризуется наложением сложной системы стоячих волн, возникающих из-за многократных отражений света от стенок конуса.

Возможность улучшения на порядок и более локальности оптических методов исследования поверхности весьма существенна при решении широкого круга научных и прикладных задач. Анализируя взаимодействие света с неоднородной поверхностью методами обычной оптики, приходится усреднять влияние многих дефектов, находящихся в пределах облучаемого участка. Применение БСОМ облегчает 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 объектов с уникальным разрешением. Возможна также регистрация дифракционных и интерференционных картин, возникающих над поверхностью подложки в ближней зоне, при взаимодействии поверхностных волн с наноструктурой поверхности. Методы БПО интересны для наноэлектроники, где они позволяют исследовать поверхность и топологию элементов с высокой локальностью. Вместе с тем можно оказывать на поверхность и тонкий слой силовое воздействие (в частности, модифицировать их структуру), если ближнее поле характеризуется высокой напряженностью. Это направление применений БПО, называемое также нанооптикой, также интенсивно развивается. Примером может служить нанесение с помощью БСОМ различных рисунков, характерный размер элементов которых составляет 5070 нм.

К числу объектов, для которых проблема локальности оптического анализа играет 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 ценную информацию как о структурных особенностях системы, в том числе о шероховатости (на атомном уровне) границ раздела, так и о механизме диффузии и распада 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 лабораторных исследований к разработке промышленных технологий сдерживается малой скоростью нанесения рисунка на поверхность путем сканирования зонда. Требуемая скорость сканирования связана с мощностью излучения, которая ограничена термической устойчивостью зонда. Как уже отмечалось, в типичных условиях 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, достаточно 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 разрушение 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 помощью (как и с помощью многих других оптических методов) можно изучать биологические объекты без их повреждения и в естественном окружении(т 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 зондов 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 волоконном 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 материалов и элементов инициируется дефектами, природа которых не всегда известна. Наиболее естественный подход к обнаружению таких дефектов состоит в использовании для анализа поверхности и тонких слоев излучения с той же частотой, что и при силовом воздействии. Возможность визуализации малых оптических неоднородностей и проведения их спектрального анализа в БСОМ позволяет рассматривать 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 заложенные в электродинамике информативные возможности. Еще раньше были достигнуты значительные успехи в расшифровке дифракционных картин (например, 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 объекта. Принципиально новым моментом, связанным с созданием и развитием ближнепольной оптики, является возможность получить с помощью оптических методов информацию о мельчайших объектах произвольной формы и локально воздействовать на них.

Под непосредственной близостью следует понимать исключительно нанометровые размеры. Микроскопия ближнего поля быстро развивается, с каждым годом появляются новые конструкции микроскопов, которые благодаря своей относительной дешевизне внедряются не только в научно-исследовательские центры, но и на производстве.

Глава IX. Раздел 5 Электронная микроскопия сверхвысокого разрешения