Розділ 1 Принцип роботи скануючого оптичного мікроскопа ближнього поля

Історія створення

Необхідність подолати обмеження оптичного мікроскопа, привело до виникнення зондової мікроскопії. Історично оптимальна конструкція зондового мікроскопа відпрацьовувалась довгий час. Мабуть першим, хто вказав у 1928 році шлях до вирішення цієї задачі, був Сінг (Е.H. Synge). Його відносно проста ідея полягала у тому, щоб у непрозорому екрані було зроблено невеликий отвір (діаметром 40 нм), що через нього оптичне випромінювання освітлювало ділянку зразка, яка приблизно дорівнювала розміру отвору. Схема такого мікроскопа наведена на рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 – Скануючий оптичний мікроскоп за теорією Сінга [1]

Інтенсивність випромінювання, яке пройшло через зразок, фіксувалося фотодетектором і подавалося у блок запису зображення. Якщо цей непрозорий екран разом з отвором переміщати вздовж зразка як по осі Х, так і по осі Y, тим самим здійснюючи сканування з кроком, який дорівнює діаметру отвору, можна отримати зображення поверхні зразка з граничною роздільною здатністю близько 40 нанометрів. Таким чином, Сінг досяг r» l/10(порівняйте з граничною роздільною здатністю класичних оптичних мікроскопів λ/2) [1].

Перше підтвердження теорії Сінга було отримано Ешем (E.A. Ash) в дослідах з мікрохвилями в 1972 році [2], а вже в 1982 році Поль (D.W. Pohl) створив перший СБОМ.

Визначальним проривом у розвитку мікроскопів було застосування замість отвору у непрозорому екрані тонкого оптичного хвилеводу, покритого з усіх боків металізацією, непрозорою для оптичної хвилі. А загострений кінець хвилеводу був вільний від металізації і міг випромінювати оптичну хвилю. Роздільна здатність у такій конструкції мікроскопа залежала тільки від діаметра зонда.

Як у подальшому і підтвердилося, фактично будь-які типи взаємодії тонкого вістря зонда з поверхнею (електричні, магнітні, механічні тощо) можуть бути перетворені відповідними приладами і комп’ютерними програмами у прецизійне зображення поверхні.

На сьогодні існує цілий спектр СЗМ - тунельний (СТМ), атомно-силовий (АСМ), магнітний (МСМ), оптичний мікроскоп ближнього поля та інші. У цей час комерційне виготовлення скануючих зондових мікроскопів і аксесуарів до них здійснює більше двадцяти фірм у США, Англії, Японії, Германії, Данії та Ізраїлі. Серед усього сімейства СЗМ варто виділити скануючий тунельний і атомно-силовий мікроскопи, за допомогою яких спостерігаються окремі атоми і молекули, здійснюються спрямовані маніпуляції з ними. А по суті, зондові мікроскопи є єдиними багатофункціональними приладами для дослідження як топографії поверхні, так і сукупності механічних, електронних, магнітних і оптичних властивостей поверхні із субнанометровою просторовою роздільною здатністю [1].

Принцип роботи

За принципом дії СБОМ нагадує тунельний мікроскоп, тільки в якості зонда тут застосовується дуже тонка "прозора голка" з оптоволокна, а замість тунельного струму реєструються зміни характеристик проходить по ній лазерного променя. Оптоволоконний зонд, що звужується до діаметра менше довжини хвилі світла, підноситься впритул до сканованої поверхні (на відстань менше довжини хвилі) і як би "відчуває" поверхню. "Відчувати" тут означає буквально наступне: згідно із законами оптики на межі розділу двох середовищ різної щільності (скло / повітря) світловий промінь заломлюється і відбивається від торця голки. При цьому світлова хвиля не виходить з хвилеводу на велику відстань, а лише злегка "вивалюється" з його кінчика [3].

Це явище спостерігається при проходженні світла через субхвильові діафрагми (отвори з діаметром багато менше довжини хвилі падаючого випромінювання) (рис. 1.2).

а) б)

Рисунок 1.2 – Проходження плоскої хвилі світла через отвір в екрані з субхвильовою апертурою (а) та лінії постійної інтенсивності оптичного випромінювання в області субхвильового отвору (б) [4]

При проходженні світла через субхвильовий отвір спостерігається ряд особливостей. Електромагнітне поле в області діафрагми має складну структуру. Безпосередньо за отвором на відстанях Z<100 Å розташовується так звана ближня зона, в якій електромагнітне поле існує, в основному, у вигляді еванесцентних (не розповсюджуючихся) мод, локалізованих поблизу поверхні діафрагми. В області відстаней Z>100 Å розташовується дальня зона, в якій спостерігаються лише випромінювальні моди. Потужність випромінювання за субхвильовою діафрагмою в далекій зоні може бути оцінена за такою формулою:

(1.1)

де k - хвильовий вектор;

W₀ - щільність потужності падаючого випромінювання [5].

На іншому кінці хвилеводу встановлений приймач відбитого від вільного торця світла. Зонд сканує зразок подібно голці тунельного мікроскопа, і якщо міняється відстань між досліджуваної поверхнею і кінчиком зонда, то змінюються і характеристики відбитої світлової хвилі (амплітуда і фаза). Ці зміни реєструються приймачем і використовуються для побудови зображення рельєфу поверхні.