Непосредственная регистрация распределения интенсивности в стоячей эванесцентной волне с помощью ближнепольного туннельного оптического микроскопа

НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ В СТОЯЧЕЙ ЭВАНЕСЦЕНТНОЙ ВОЛНЕ С ПОМОЩЬЮ БЛИЖНЕПОЛЬНОГО ТУННЕЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА Н.С. Горелов, Ю.М. Воронин, П.С. Парфенов

Получена непосредственная запись распределения интенсивности света в стоячей эванесцентной волне в условиях ближнепольного туннельного микроскопа. Показана возможность использования картины стоячих волн для обнаружения дрейфа и нелинейности сканатора, контроля калибровки увеличения. Рассмотрено влияние дефектов на поверхности полного внутреннего отражения на вид интерференционных полос.

Введение

В последнее время бурно развивающиеся нанотехнологии усиливают интерес к методам изучения наноразмерных структур. Ближнепольная микроскопия - направление оптической микроскопии, которое позволяет получать изображения с пространственным разрешением, не ограниченным дифракционным пределом. Высокое разрешение достигается тем, что распределение интенсивности света регистрируется непосредственно у поверхности образца с помощью наноразмерного зонда, находящегося от нее на расстоянии много меньшем, чем длина волны используемого излучения X, т.е. в ближнем поле. При двухкоординатном сканировании поверхности формируется изображение, пространственное разрешение которого определяется радиусом закругления зонда и его расстоянием от образца, но не зависит от дифракционного предела разрешения Рэлея, равного 0,61 X [1].

Туннельный растровый оптический микроскоп (ТРОМ) [2] - одна из разновидностей ближнепольного микроскопа. Принцип работы ТРОМ основан на регистрации распределения интенсивности света в эванесцентном (затухающем) поле, возникающем у поверхности прозрачного образца при освещении ее в условиях полного внутреннего отражения.[3, 4]

Контроль параметров ТРОМ является достаточно сложной, но актуальной задачей. Обычно для этого используют специальные прозрачные тест-объекты с известной периодической структурой [2, 5].

Ввиду неоднозначности связи между регистрируемым световым полем и микрорельефом поверхности представляется целесообразным использовать для этих целей чисто оптический объект, например, стоячие ближнепольные волны.

Согласно физическим принципам формирования стоячих волн, их период может быть заранее строго установлен, что позволит надежно, в рабочем режиме, провести калибровку увеличения. В свою очередь, искажение интерференционных полос позволит оценить качество работы сканатора и системы регистрации изображения.

Формирование эванесцентного поля при полном внутреннем отражении

При падении электромагнитной волны на границу раздела двух сред (и1>и2) под углом большем, чем угол полного внутреннего отражения в оптически менее плотной среде, возникает волна, распространяющаяся вдоль границы раздела с амплитудой, быстро убывающей в направлении, перпендикулярном этой границе:

E

Значения амплитуды Е0 затухающей (эванесцентной) волны на границе раздела двух сред и коэффициента затухания эванесцентного поля (ё) определяются выражениями [2]:

2 2

,2 2nx cos e, ,2

N = —--E

П - n 2

d =

A0

2П

2 2 - П2

где Е, 0, Хо- амплитуда падающей волны, угол падения и длина волны излучения в вакууме, соответственно; п1 и п2 -показатели преломления оптически плотной и оптически менее плотной среды, соответственно.

Стоячие ближнепольные волны возникают при наложении двух эванесцентных волн, распространяющихся вдоль границы раздела сред навстречу друг другу (рис. 1), с одинаковой частотой и поляризацией. Интенсивность результирующего эванесцентно-го поля дается выражением [6]:

I

, 2 ~ í2n

1 + r + 2r cosí — x

l Л ,

где г = Е2/Е1- отношение амплитуд интерферирующих волн, 1о = —^|Ео|2 интенсивность светового поля на границе раздела сред.

VVVVV

Рис. 1. Образование стоячих ближнепольных волн

Период стоячей волны Л определяется выражением [7, 8]:

Л =  Ло

2n1 sin e

где e - угол падения освещающего луча (e > екр).

Описание эксперимента

На рис. 2 приведена принципиальная схема получения ближнепольных стоячих волн у грани призмы при полном внутреннем отражении. Узел осветителя микроскопа состоит из гелий-неонового лазера ЛГ-37А 1, поляризатора 2 и зеркала 3. Выходящий из лазера луч света проходит через поляризационный регулятор интенсивности 2 и направляется на призму 7 зеркалом 3 с наружным покрытием. Осветитель установлен на юстировочном столике, который позволяет перемещать его в трех взаимно перпендикулярных направлениях на 1о мм и изменять угол падения лазерного луча в пределах от 30° до 50° с точностью 0,5° по отношению к подошве призмы.

Рис. 2 Схема регистрации ближнепольных стоячих волн

Эванесцентное поле у подошвы призмы преобразуется в распространяющееся излучение с помощью вводимого в него острия 9, сформированного на конце волоконного световода 12 [9]. Использование острия с малым радиусом закругления позволяет избежать существенного влияния его материала на распределение эванесцентного поля. Для приближения острия к образцу при сканировании в микроскопе используется трех-координатный пьезоманипулятор 10 и прецизионный механический столик 11. Механический столик предназначен для грубого приближения острия к образцу и позволяет перемещать острие на 7 мм с шагом 0,06 мкм. Для контроля процесса грубого подвода острия к образцу используется вспомогательный микроскоп 5, осветитель 4, зеркала 6 и 13. Двухкоординатное сканирование острия вдоль поверхности образца осуществляется блоком электронного управления 15.

Выходящее из оптического волокна 12 излучение регистрируется фотоэлектронным умножителем 14. С выхода ФЭУ сигнал поступает в блок управления 15 и используется для выработки напряжения обратной связи, которое поддерживает неизменным расстояние между образцом и вершиной острия в процессе сканирования, а также формирования изображения с помощью ПЭВМ 16. В микроскопе используются два крестообразных пьезоманипулятора, обеспечивающие сканирование участка поверхности образца с максимальным размером 200x200 мкм и 15x15 мкм. Максимальная величина перемещения острия в перпендикулярном к поверхности направлении равна соответственно 10 мкм и 1 мкм. Блок электронного управления обеспечивает сканирование участка с минимальными размерами 100x100 нм, произвольно выбранного из максимальной площади сканирования. Минимальный шаг перемещения острия равен 1 нм при максимальном поле сканирования и 0,5 нм - при минимальном.

Электронный блок ТРОМ позволяет осуществлять управление микроскопом и регистрировать топографический рельеф исследуемой поверхности в аналоговом режиме с записью на двухкоординатном самописце или подключать ПЭВМ через плату сопряжения. Управляющая программа микроскопа обеспечивает оперативное управление процессом измерения, математическую обработку и отображение полученных данных. Программное обеспечение позволяет проводить коррекцию нелинейности пьезоманипулятора, калибровку увеличения, запись изображения любого произвольного участка из максимальной площади сканирования с числом элементов разложения до 200x200, производить двадцатикратное изменение масштаба изображения, строить сетку сечений и изолиний, сохранять

созданное изображение в графическом формате, строить двух- и трехмерные изображения поверхности образца, производить преобразование координатных осей; проводить предварительную обработку изображения и др.

Для получения стоячих эванесцентных волн на выходную грань призмы наносился отражающий зеркальный слой алюминия толщиной 0.1 мкм. Освещающий луч направлялся на нее под прямым углом. Возникающий в этих условиях отраженный луч проходит навстречу падающему, и в ближнем поле, у подошвы призмы, возникают стоячие волны.

Результаты эксперимента и обсуждение

В соответствии с (4) при Х0=630 нм, 0=45°, п1=1.520, п2=1.000 и г2=0.9 у подошвы призмы возникают стоячие ближнепольные волны с периодом Л=293.1±0.2 нм. Коэффициент ослабления интенсивности эванесцентного поля по (2) равен ^/2=127.3±0.3 нм.

Рис. 4. Интерференционные полосы у подошвы призмы ПВО

Чтобы выявить дрейф сканатора с помощью ближнепольных стоячих волн при записи изображения развертка по координате У была выключена, и сканирование велось по одной и той же строке. Каждый последующий скан записывался над предыдущим. Запись велась в течение 1 мин. Наклон интерференционных полос в нижней части кадра указывает на то, что начало каждой последующей строки смещается за счет остаточной деформации сканатора. По истечении некоторого времени наклон полос исчезает (верхняя часть кадра), что свидетельствует о прекращении дрейфа.

На рис.4 показано полутоновое изображение картины интерференции эванесцент-ных волн у подошвы призмы полного внутреннего отражения.

На изображении видны интерференционные полосы с периодом ~293 нм. Хорошо заметно, что расстояние между полосами постепенно уменьшается вдоль строки сканирования. Это обусловлено нелинейностью сканатора, возникающей из-за того, что в начале строки к пьезоэлектрическому сканатору прикладывается небольшое напряжение, и его чувствительность выше, чем в конце строки. Искривление интерференционных полос обусловлено наличием на этом участке подошвы призмы царапин глубиной ~0.1 мкм.

О. Об

.4

0.02

О

О мкм

Рис. 5. Распределение интенсивности в интерференционной картине вдоль строки

Для контроля градуировки масштаба, выполненной ранее по тест-объекту на основе канавок в компакт-диске, мы воспользовались записью распределения интенсивности вдоль строки (рис. 5), выделенной на рис. 4. Из рис. 5 видно, что период интерференционных полос, измеренный по координатной сетке прибора, равен 500 нм при истинном значении, в соответствии с выражением (4), равном 293 нм. Таким образом, использование стоячих волн позволяет с высокой точностью осуществить калибровку прибора в процессе исследования реальных образцов. Кроме того, использование стоячей волны, являющейся чисто оптическим тест-объектом, для контроля качества работы микроскопа, используемого для исследования пространственного распределения интенсивности светового поля, является более предпочтительным, чем использование материального тест-объекта.

Выводы

Методом ближнепольной туннельной микроскопии зарегистрировано распределение интенсивности света в стоячей эванесцентной волне у подошвы призмы полного внутреннего отражения.

Показана возможность использования распределения интенсивности в интерференционной картине для обнаружения и контроля дрейфа пьезоэлектрического скана-тора.

Показана возможность объективной калибровки и устранения нелинейности ска-натора туннельного растрового оптического микроскопа при помощи стоячих ближне-польных волн.

Литература

1. Pohl D.W., Denk W. Optical stethoscopy: image recording with resolution X/20 //

Applied Physical Letters. 1984. Vol. 44. № 7. P. 651-653.

2. Папаян Г.В., Воронин Ю.М., Щетнев Ю.Ф., Киченко Е.В. Ближнепольный туннельный растровый оптический микроскоп. //Оптический журнал. 1997. том 64, № 12. Стр. 81-84.

3. Reddick R.C., Warmack R.J., Ferrell T.L. New form of scanning optical microscopy // Phys. Rev., 1989, Vol. B 39, № 1. P. 767-770.

4. Courjon D., Sarayeddine K., Spajer M. Scanning tunneling optical microscopy //Optics commun. 1989. Vol. 71. № 1, 2. P. 23-28.

5. Воронин Ю.М. Принципиальные схемы и основные элементы ближнепольных растровых оптических микроскопов // Оптический журнал. 1995. № 6. С. 4-13.

6. Alfred J. Meixner, Martin A. Bopp, Guido Tarrach Direct measurement of standing evanescent waves with a photon-scanning tunneling microscope // Applied optics. 1994. V. 33. № 34. P. 7995-8000.

7. Antonello Nesci, Rene Dandliker, Hans Peter Herzig Quantitative amplitude and phase measurement by use of a heterodyne scanning near-field optical microscope // Optics letters. 2001. V. 26. № 4. Р. 208-300.

8. H. Pagnia, J. Radojewski and N. Sotnik, Operation conditions of an optical STM. // Optik (Stuttgart). V.86. №3. 1990. Р.87-90.

9. Вейко В.П., Вознесенский Н.Б., Воронин Ю.М., Дряхлушин В.Ф. Ближнепольные оптические зонды: методы изготовления, основные характеристики и контроль аппаратуры // Проблемы когерентной и нелинейной оптики: Сборник статей. СПбГУ ИТМО, 2004. С. 31-57.