Принцип работы БОМ

Глава 4. Ближнепольная оптическая микроскопия

Применение АСМ

Современная атомно-силовая микроскопия активно используется во всем мире для исследования как полупроводников, так и любых других материалов. Очень широкое развитие она получила по исследованию вирусов, клеток, генов в биологии, - там с ней связывают большие надежды. Интересным является возможность использовать АСМ для литографии, - как механического царапания поверхности шипом, так и окисления поверхности под шипом при подаче на иглу потенциала. Это открывает большие возможности по использованию самого метода СЗМ для нужд нанолитогафии.

АСМ также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие зонды, можно делать гравировку и проводить наночеканку ‒ выдавливать на поверхности крошечные рисунки. Применение жидкостной атомно-силовой микроскопии позволяет локально проводить электрохимические реакции, прикладывая разность потенциалов между зондом и проводящей поверхностью, а также открывает возможность применения АСМ для исследования биологических объектов.

Традиционные методы получения оптических изображений объектов имеют существенные ограничения, связанные с дифракцией света. Одним из основополагающих законов оптики является существование так называемого дифракционного предела, который устанавливает минимальный размер (R) объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с длиной волны λ:

,

где n - показатель преломления среды. Для оптического диапазона длин волн предельный размер составляет величину порядка 200÷300нм. В ближнепольной оптической микроскопии используются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне 10нм и лучше.

Ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) был изобретен Дитером Полем (лаборатория фирмы IBM, г. Цюрих, Швейцария) в 1982 году сразу вслед за изобретением туннельного микроскопа. 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 наблюдается ряд особенностей. Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложную структуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях Z < 100а располагается так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, ввиде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы. В области расстояний Z > 100a располагается дальняя зона, в которой наблюдаются лишь излучательные моды. Мощность излучения за субволновой диафрагмой в дальней зоне может быть оценена по следующей формуле:

,

где k – волновой вектор, W0 – плотность мощности падающего излучения.

Оценки показывают, что для излучения с длиной волны порядка λ = 500нм и диафрагмы с отверстием ~ 5нм 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 I( x, y ) . Контраст на БОМ изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств образца.

Отличительной особенностью СБОМ по сравнению с СТМ и АСМ является необходимость независимой системы подвода и удержания зонда вблизи поверхности, поэтому, как правило, СБОМ комбинируется совместно с АСМ, который обеспечивает удержание зонда вблизи поверхности так называемым “shear-force” методом. Это усложняет и удорожает СБОМ, но, с другой стороны, позволяет одновременно получить СБОМ- и АСМ-изображения, что дает более полную информацию о поверхности образца.

4.2 «Share-force» метод контроля расстояния зонд-поверхность в БОМ

Для работы БОМ необходимо удерживать зонд над поверхностью на расстояниях порядка 10нм и менее. Существуют различные решения данной проблемы, однако наиболее широкое распространение получили БОМ с так называемым "shear-force" методом контроля расстояния между зондом и образцом.

Чаще всего применяются схемы "shear-force" контроля с использованием пьезодатчика на основе кварцевого резонатора камертонного типа. Зонд БОМ крепится к кварцевому резонатору с помощью клея. Вынужденные колебания камертона на частоте, близкой к резонансной частоте системы зонд – кварцевый резонатор, возбуждаются с помощью дополнительного пьезовибратора. При этом зонд совершает колебательное движение параллельно поверхности образца. Измерение силы взаимодействия зонда с поверхностью производится посредством регистрации изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний кварцевого резонатора на частоте возбуждения.

Изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний в системе зонд-резонатор используются в качестве сигналов обратной связи для контроля расстояния зонд-поверхность в ближнепольных оптических микроскопах.