ТЕРАГЕРЦОВЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП

Полезная модель относится к измерительной и диагностической технике, а более конкретно к безапертурным микроскопам для терагерцовой (ТГц) области спектра, предназначенным для спектральной диагностики различных объектов с разрешением в нанометровой области.
Известен фотонный сканирующий зондовый микроскоп (см. заявка RU №94028284, МПК H01J 37/285, опубликована 10.04.1996), содержащим источник излучения и фотоприемный детектор, держатель зонда с зондом, который представляет собой заостренный конец световода, электронно-механический блок контроля положения зонда над поверхностью исследуемого объекта и оптическую призму, на которую устанавливается образец. С помощью призмы направляют излучение через первое вещество таким образом, чтобы излучение пересекало поверхность раздела под углом, большим угла полного внутреннего отражения, и создавало поверхностное поле, прилежащее к поверхности раздела во втором веществе, являющемся образцом. В область поверхностной световой волны помещается заостренный конец световода. Часть поверхностной волны рассеивается зондом и захватывается световодом. Сигнал фотоприемного устройства на другом конце световода несет информацию об соответствующих свойствах поверхностного поля, которое модулируется присутствием образца.
Известный микроскоп позволяет исследовать оптические свойства материалов лишь в видимой и инфракрасной области спектра.
Известен терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп (см. статью "Apertureless terahertz near-field microscopy", Gyu Cheon Cho, Hou-Tong Chen, Simon Kraatz, Nicholas Karpowicz and Roland Kersting, Semicond. Sci. Technol., 20 (2005), S286-S292), включающий источник терагерцового излучения, держатель зонда со сканирующим зондом, электронно-механический блок контроля положения сканирующего зонда над поверхностью исследуемого объекта, предметный столик для исследуемого объекта, детектор ТГц излучения. ТГц излучение от источника поступает в область контакта объекта со сканирующим зондом, рассеивается под углом близким к углу зеркального отражения, собирается в дальнем поле и доставляется к детектору когерентного ТГц излучения.
Недостаток известного устройства заключается в том, что рассеянное излучение детектируется на фоне сильного сигнала зеркального отражения, не содержащего информации об особенностях объекта с размерами меньше длины волны. Кроме того, в геометрии нормального отражения в ТГц области эванесцентное поле сравнительно слабее в несколько раз по сравнению с геометрией нарушенного полного отражения. Все это приводит к сравнительно невысокому соотношению сигнал/шум в итоговых ТГц изображениях.
Известен терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп, совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. (см. статью "Spectroscopic THz near-field microscope", H.-G.von Ribbeck, M.Brehm, D.W. van der Weide, S.Winnerl, O.Drachenko, M.Helm, and F.Keilmann, Optics Express, vol.16, №5, pp.3430-3438). Микроскоп-прототип включает источник терагерцового излучения, оптическую систему для доставки излучения к объекту, держатель зонда со сканирующим зондом, электронно-механический блок контроля положения сканирующего зонда над поверхностью исследуемого объекта, предметный столик для исследуемого объекта, оптическую систему для сбора излучения в детектор, и детектор ТГц излучения. ТГц излучение от источника поступает в область контакта объекта со сканирующим зондом, рассеивается под углом 90 градусов, обеспечивая при этом истинную геометрию рассеяния. Рассеянное ТГц излучение собирается в дальнем поле и доставляется к детектору ТГц излучения.
Недостатком микроскопа-прототипа является довольно низкое соотношение сигнал/шум в итоговых изображениях вследствие низкой эффективности рассеяния ТГц излучения в присутствии сканирующего зонда и как следствие, невозможности определения оптических параметров исследуемых объектов в терагерцовой области спектра.
Задачей заявляемого технического решения являлось создание терагерцового сканирующего зондового микроскопа, который бы имел лучшую разрешающую способность и обеспечивал возможность определения оптических свойств объекта в терагерцовой области спектра.
Поставленная задача решается тем, что терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп включает источник терагерцового излучения, оптическую систему для доставки терагерцового излучения к объекту, предметный столик, держатель зонда со сканирующим зондом, электронно-механический блок контроля положения сканирующего зонда над поверхностью исследуемого объекта, оптическую систему для сбора излучения в детектор и детектор ТГц излучения. В отличие от микроскопа-прототипа предметный столик выполнен в виде призмы из материала, прозрачного для излучения ТГц области спектра(Si, GaAs и т.д.).
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что когерентное ТГц излучение подводят к образцу через призму из материала, прозрачного для излучения ТГц области спектра, при этом оно испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела кремний-воздух, на которую в свою очередь помещен исследуемый объект, Внесение сканирующего зонда в область поверхностной ТГц волны на малое расстояние от поверхности (расстояние порядка 100 нм и менее) приводит к преобразованию эванесцентных ТГц волн в распространяющиеся, которые в дальнем поле (на макроскопических расстояниях от поверхности призмы) поступают в оптическую систему для сбора излучения и доставляются к детектору ТГц излучения. Поле эванесцентных волн локально усиливается вблизи острия сканирующего зонда, Кроме того, локальное окружение сканирующего зонда влияет на эффективность преобразования эванесцентных волн в распространяющиеся. Измерение изменений ТГц сигнала при сканировании зондом исследуемой поверхности позволяет получить ТГц изображение объекта, а применение методов когерентной спектроскопии во временных доменах позволяет измерять спектр конвертированного излучения и, тем самым, изучать спектральные особенности объекта.
Заявляемый терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп ближнего поля поясняется чертежом, где
на фиг.1 приведена блок схема микроскопа-прототипа;
на фиг.2 изображена блок-схема заявляемого ТГц микроскопа ближнего поля.
Показанный на фиг.1 терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп-прототип содержит источник 1 терагерцового излучения, оптическую систему 2 для доставки терагерцового излучения к объекту 3, предметный столик 4, держатель 5 со сканирующим зондом 6, электронно-механический блок 7 контроля положения сканирующего зонда 6 над поверхностью исследуемого объекта 3, оптическую систему 8 для сбора излучения в детектор 9 ТГц излучения. Оптическая система 2 и оптическая система 8 выполнены каждая из двух внеосевых 90-градусных параболических зеркал 10.
Изображенный на фиг.2 заявляемый терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп содержит источник 1 терагерцового излучения, оптическую систему 2 для доставки терагерцового излучения к объекту 3, предметный столик 11 в виде призмы из материала, прозрачного для излучения ТГц области спектра, держатель 5 зонда со сканирующим зондом 6, электронно-механический блок 7 контроля положения сканирующего зонда 6 над поверхностью исследуемого объекта 3, оптическую систему 8 для сбора излучения в детектор 9 ТГц излучения. Оптическая система 2 и оптическая система 8 выполнены каждая из двух внеосевых 90-градусных параболических зеркал 10. В качестве источника 1 терагерцового излучения может быть использован, облучаемый сверхкороткими световыми импульсами нелинейный кристалл из ZnTe или LiNbO3, а также известная фотопроводящая полупроводниковая антенна. В качестве материала, прозрачного для излучения ТГц области спектра, может быть использован, например, кремний Si, арсенид галлия GaAs.
Заявляемый терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп работает следующим образом. ТГц излучение из источника 1, собирается внеосевым 90-градусным параболическим зеркалом 10 и в виде параллельного пучка посылается на другое внеосевое 90-градусное параболическое зеркало 10. Далее ТГц излучение вводится в предметный столик 11 в виде призмы из материала, прозрачного для излучения ТГц области спектра, на который размещается образец 3. В результате рассеяния поверхностной волны на системе сканирующий зонд 6 - поверхность объекта 3 часть рассеянного ТГц излучения собирается третьим внеосевым 90-градусным параболическим зеркалом 10, которое преобразует пучок рассеянного ТГц излучения в параллельный и с помощью следующего внеосевого 90-градусного параболического зеркала 10 направляется на детектор 9 ТГц излучения (например, фотоприемный блок), который осуществляет когерентное детектирование по принципу электро-оптического стробирования.
Контроль положения зонда над поверхностью образца осуществляется на основе метода измерения поперечно-силового взаимодействия ближнепольного зонда и объекта (см. Appl. Phys. Lett. 60, 2484, 1992). Заявляемый терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп позволяет проводить ближнепольные измерения по определению амплитуды и фазы эванесцентных ТГц волн вблизи зонда. Соответственно, сканирование зондом исследуемой поверхности позволяет получить ТГц изображение объекта, а применение методов когерентной спектроскопии во временных доменах позволяет измерять спектр конвертированного излучения и, тем самым, изучать спектральные особенности объекта.