ЗОНД БЛИЖНЕПОЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в ближнепольной оптической микроскопии сверхвысокого разрешения в конструкции зонда, представляющего собой заостренный конец оптического световода с апертурной оконечностью, для локальных исследований микрообъектов в виде наноструктурированных материалов и биологических объектов.
Являясь ключевым элементом ближнепольного оптического микроскопа, рассматриваемый зонд имеет конструкцию с выходной наноапертурой на оконечности ограниченного тонким металлическим покрытием боковой поверхности заостренного конца оптического световода, выполняющего функцию субволновой диафрагмы, и позволяющего локализовать электромагнитное поле в области расположения микрообъекта исследования с размерами меньше длины волны используемого излучения, и таким образом обеспечивающего сверхвысокое разрешение изображения микрообъекта.
Задача предлагаемой полезной модели - конструктивное обеспечение длительного эффективного усиления электромагнитной связи апертурной оконечности зонда ближнепольного оптического микроскопа с микрообъектом обнаружения.
Уровень техники в области ближнепольной оптической микроскопии, использующей эффект возбуждения резонансных плазмонных колебаний в активных металлических нанообразованиях, нанесенных на поверхность зонда, характеризуется известными аналогами, относящимися к безапертурным зондам (см., например, патент US 6002471, G01N 21/64, G01N 21/65, G01B 11/24, 1999), используемым в группе иных по принципу работы зондовых микроскопов и поэтому выходящим за рамки настоящего описания предлагаемой полезной модели, предназначенной для использования в апертурной ближнепольной оптической микроскопии.
В связи с тем, что не выявлен источник информации со сведениями, раскрывающими конструкцию апертурного зонда ближнепольного оптического микроскопа, снабженного наноразмерным средством усиления электромагнитной связи оконечности зонда с микрообъектом обнаружения, выполненным в виде слоя активных металлических нанообразований, усиливающего электромагнитную связь указанной апертурной оконечности с микрообъектом обнаружения за счет возбуждения резонансных плазмонных колебаний в активных металлических нанообразованиях, выбрана форма изложения формулы полезной модели без прототипа.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - разработка апертурной конструкции зонда ближнепольного оптического микроскопа, снабженного наноразмерным средством усиления электромагнитной связи оконечности зонда с микрообъектом обнаружения, выполненным в виде слоя активных металлических нанообразований, усиливающего электромагнитную связь апертурной оконечности зонда с микрообъектом обнаружения за счет возбуждения резонансных плазмонных колебаний в активных металлических нанообразованиях, с повышенным эксплуатационным ресурсом за счет того, что слой активных металлических нанообразований, усиливающий электромагнитную связь апертурной оконечности зонда с микрообъектом обнаружения, сформирован под поверхностью указанной апертурной оконечности.
Кроме того, предлагаемая полезная модель расширяет арсенал апертурных зондов для ближнепольной сканирующей оптической микроскопии.
Для достижения указанного технического результата предлагается зонд ближнепольного оптического микроскопа, ограниченный тонким металлическим покрытием его боковой поверхности, имеющий коническую форму и апертурную оконечность на его выходном суженном конце (для прохождения рабочего светового излучения) и снабженный наноразмерным средством усиления электромагнитной связи указанной оконечности с микрообъектом обнаружения, выполненным в виде слоя активных металлических нанообразований, усиливающего электромагнитную связь указанной апертурной оконечности с микрообъектом обнаружения за счет возбуждения резонансных плазмонных колебаний в активных металлических нанообразованиях, характеризующийся тем, что слой активных металлических нанообразований, усиливающий электромагнитную связь апертурной оконечности с микрообъектом обнаружения, сформирован под поверхностью апертурной оконечности.
В первом случае исполнения
предлагаемый зонд представляет собой заостренный конец оптического световода с апертурной оконечностью, а слой активных металлических нанообразований, усиливающий электромагнитную связь апертурной оконечности с микрообъектом обнаружения, изготовлен методом имплантации ионов металла с последующим отжигом,
при этом
16
-2
для работы ближнепольного оптического микроскопа в видимом диапазоне длин волн предлагаемый зонд изготовлен из кварцевого стекла, а слой активных металлических нанообразований в виде массива частиц золота, серебра или меди размерами 1-10 нм, имплантированных при режиме обработки с энергией ионов 20-40 кэВ и дозой ионов (2-4)⋅10 см и подвергнутых отжигу при температуре 300-450°C в течение 30-60 мин, расположен под поверхностью апертурной оконечности на глубине 5-30 нм;
16
-2
для работы ближнепольного оптического микроскопа в инфракрасном диапазоне длин волн предлагаемый зонд изготовлен из халькогенидного стекла, а слой активных металлических нанообразований в виде массива частиц золота, серебра или меди размерами 1-10 нм, имплантированных при режиме обработки с энергией ионов 30-50 кэВ и дозой ионов (1-3)⋅10 см и подвергнутых отжигу при температуре 300-450°C в течение 30-60 мин, расположен под поверхностью апертурной оконечности на глубине 10-50 нм.
Во втором случае исполнения предлагаемый зонд представляет собой заостренный конец оптического световода с апертурной оконечностью, а слой активных металлических нанообразований, усиливающий электромагнитную связь апертурной оконечности с микрообъектом обнаружения, изготовлен методом вакуумного осаждения на поверхность апертурной оконечности металлической нанопленки в виде слоя частиц золота, серебра или меди размерами 1-10 нм с последующим нанесением на нее поверхностного слоя материала оптического световода или диэлектрического материала с оптическими свойствами, близкими к оптическим свойствам материала оптического световода.
На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого зонда ближнепольного оптического микроскопа.
Предлагаемый зонд представляет собой сплошной заостренный конец 1 оптического световода (заостренный конец 1 может иметь исполнение в виде автономного наконечника), ограниченный тонким металлическим покрытием 2 его боковой поверхности, имеющий коническую форму и апертурную оконечность 3 на его выходном суженном конце.
При этом зонд снабжен наноразмерным средством усиления электромагнитной связи оконечности 3 с микрообъектом обнаружения (последний на фиг. 1 не показан), выполненным в виде слоя 4 активных металлических нанообразований, усиливающего электромагнитную связь апертурной оконечности 3 с микрообъектом обнаружения, сформированного под поверхностью апертурной оконечности 3.
Предлагаемый зонд работает следующим образом.
Попадающее через апертурную оконечность 3 световое излучение (из оптического световода на микрообъект обнаружения и/или от микрообъекта обнаружения в оптический световод) усиливается в результате возбуждения резонансных плазмонных колебаний в активных нанообразованиях, выполненных в виде слоя 4 металлических активных нанообразований, обеспечивая усиление электромагнитной связи апертурной оконечности 3 с микрообъектом обнаружения.
Формирование слоя 4 активных металлических нанообразований под поверхностью апертурной оконечности 3 осуществлено методом имплантации ионов металла с последующим отжигом в примерах 1 и 2 выполнения предлагаемого зонда.
Пример 1
16
-2
Для работы ближнепольного оптического микроскопа в видимом диапазоне длин волн предлагаемый зонд изготовлен из кварцевого стекла, а слой активных металлических нанообразований в виде массива частиц золота, серебра или меди размерами 1-10 нм, имплантированных при режиме обработки с энергией ионов 20-40 кэВ и дозой ионов (2-4)⋅10 см и подвергнутых отжигу при температуре 300-450°C в течение 30-60 мин, расположен под поверхностью апертурной оконечности на глубине 5-30 нм.
Пример 2
16
-2
Для работы ближнепольного оптического микроскопа в инфракрасном диапазоне длин волн предлагаемый зонд изготовлен из халькогенидного стекла, а слой активных металлических нанообразований в виде массива частиц золота, серебра или меди размерами 1-10 нм, имплантированных при режиме обработки с энергией ионов 30-50 кэВ и дозой ионов (1-3)⋅10 см и подвергнутых отжигу при температуре 300-450°C в течение 30-60 мин, расположен под поверхностью апертурной оконечности на глубине 10-50 нм.
Формирование слоя 4 активных металлических нанообразований под поверхностью апертурной оконечности 3 осуществлено методом вакуумного осаждения на поверхность этой апертурной оконечности металлической нанопленки в виде слоя металлических наночастиц с последующим нанесением на нее поверхностного слоя материала оптического световода или диэлектрического материала с оптическими свойствами, близкими к оптическим свойствам материала оптического световода, в примере 3 выполнения предлагаемого зонда (устройство предлагаемого зонда в данном примере выполнения фигурой не иллюстрируется).
Пример 3
-2
-2
2
Методом высокочастотного магнетронного напыления (металл напылялся в атмосфере Ar при давлении ~10 Торр, диэлектрик в атмосфере Ar-О (50:50% мол.) при давлении ~10 Торр и температуре подложки 300-400°C) на поверхности апертурной оконечности 3 сформирована металлическая нанопленка в виде слоя частиц золота, серебра или меди размерами 1-10 нм и на нее нанесен указанным методом (диэлектрик наносился в атмосфере Ar-O2 (50:50% мол.) при давлении ~10-2 Торр) поверхностный слой материала оптического световода (указанного в примерах 1 и 2 в зависимости от рабочего диапазона длин волн ближнепольного оптического микроскопа) или диэлектрического материала с оптическими свойствами, близкими к оптическим свойствам материала оптического световода, толщиной от 5 до 50 нм (изложенное исполнение возможно также на основе использования метода электронно-лучевого осаждения, вместо метода магнетронного напыления).
Изложенное выше формирование указанного слоя активных металлических нанообразований под поверхностью апертурной оконечности 3 обеспечивает повышенный эксплуатационный ресурс предлагаемого зонда.