Зонд ближнепольного микроскопа

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может быть использовано при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений и т.д.

Известен зонд ближнепольного микроскопа, представляющий заостренный отрезок оптоволокна (Миронов В.Л. Основы сканирующий зондовой микроскопии, Нижний Новгород, 2004, стр. 106 [1]).

Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность. Повышение локализации электромагнитных волн оптического диапазона распространяющихся по диэлектрическому волноводу (световоду) производится сужением поперечных размеров. Однако сужение размеров диэлектрического волновода до размеров соразмеримых и меньших длины электромагнитной волны приводит к потерям оптического излучения за счет обратного отражения, а также высвечиванию в окружающее пространство.

Известен зонд ближнепольного микроскопа, представляющий заостренный отрезок оптоволокна, внешняя поверхность которого покрыта металлом (Е.Г. Дедкова, А.А Чуприк и др. Приборы и методы зондовой микроскопии. Учебное пособие, МФТИ, 2011, с. 123 [2]). Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность. Это обусловлено тем, что устройство характеризуется значительным затуханием светового излучения проходящего через отверстие к исследуемому образцу и обратно. Сплошная металлизация диэлектрического световода конусообразной формы создает структуру поля соответствующего структуре поля запредельного волновода, при котором большая часть излучения отражается, не доходя до вершины конической части световода. В данном режиме многократно уменьшается мощность излучения доходящего до конца, что уменьшает чувствительность и соответственно пространственную разрешающую способность.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является зонд микроскопа с полем излучения в ближней зоне, который выполнен в виде конической трубки из диэлектрического материала или волоконно-оптического элемента с частично металлизированными боковыми поверхностями. Для металлизации указанных поверхностей используются две полоски из непрозрачного электропроводящего материала, разделенные изоляционным материалом, которые суживаются по направлению к острию зонда и расположены друг против друга. Полоски обрываются при вершине конического элемента зонда, в результате чего формируется зона взаимодействия зонда с анализируемым объектом (UA 67835 [3])

Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность. Это объясняется тем, что в известном устройстве значительная часть электромагнитного излучения отражается при распространении мимо пространственных неоднородностей, характеризующихся резким изменением волнового сопротивления. Изменение волнового сопротивления происходит из-за расположения на пути электромагнитной волны проводящих областей вместо ранее диэлектрических (и наоборот), резкого изменения диаметра и направления распространения, изменения проводимости и диэлектрической проницаемости.

Заявляемый зонд ближнепольного микроскопа направлен на повышение разрешающей способности.

Указанный результат достигается тем, что зонд ближнепольного микроскопа выполнен в виде отрезка световода с заостренным конусообразным концом с нанесенными на наружные поверхности конуса по крайней мере двумя электропроводящими элементами с диэлектрическим промежутком между ними. При этом на вершине конуса между электропроводящими элементами в области расположения безизлучательных электромагнитных мод размещено средство оптического согласования.

Указанный результат достигается также тем, что средство для оптического согласования выполнено в виде квантовых точек с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.

Указанный результат достигается также тем, что средство оптического согласования выполнено в виде интегрально-оптического резонатора с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.

Отличительными признаками заявляемого зонда являются:

- на вершине конуса между электропроводящими элементами в области расположения безизлучательных электромагнитных мод размещено средство оптического согласования;

- средство для оптического согласования выполнено в виде квантовых точек с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод;

- средство оптического согласования выполнено в виде интегрально-оптического резонатора с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.

Размещение на вершине конуса между электропроводящими элементами в области расположения безизлучательных электромагнитных мод средства оптического согласования позволяет существенно повысить разрешающую способность микроскопа, использующего предложенный зонд. Это объясняется тем, что структуру электромагнитного поля в пространстве за вершиной конуса можно представить в виде совокупности различных пространственных структур (мод). Один из типов мод - безизлучательный (связанный, не излучающий) в открытое пространство за вершиной зонда. Оптическое согласующее устройство оптимальным способом трансформирует энергию приходящего электромагнитного излучения в энергию безизлучательных (за вершиной конуса) колебаний электромагнитного поля данного типа. В то же время при отражении безизлучательных колебаний от исследуемой поверхности их энергия эффективно преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, передающихся в обратном направлении по световоду. При приближении оптического согласующего устройства к исследуемой поверхности происходит изменение структуры электромагнитного поля, что сопровождается изменением величины мощности отраженного электромагнитного поля, распространению в обратном направлении по световоду, что и позволяет существенно повысить разрешающую способность микроскопа, использующего предложенный зонд. Средство оптического согласования в самом общем случае представляет собой устройство, в котором электромагнитные волны, пришедшие по коническому волноводу, передаются за вершину зонда в область расположения безизлучательных электромагнитных мод и, отразившись от исследуемой поверхности, возвращаются в обратном направлении по световоду. Средство оптического согласования, как правило, работает на частоте излучения, вводимого в световод, и оптимально трансформирует структуру поля, распространяющегося между электродами конического световода, в структуру поля безизлучательных электромагнитных мод за ним.

При изменении расстояния между средством оптического согласования и исследуемой поверхностью в большую сторону изменяется величина мощности отраженного от исследуемой поверхности излучения и возвращаемой по световоду в обратную сторону.

Средство для оптического согласования может быть выполнено в виде квантовых точек с частотой спектра поглощения, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. Квантовая точка характеризуется тем, что ее резонансная частота, на которой наиболее сильно отражается электромагнитное излучение, зависит не только от ее состава и ее размеров, но и от ее расстояния до исследуемой поверхности. Геометрические размеры квантовой точки составляют единицы нанометров, а расстояние до исследуемой поверхности находится в диапазоне единиц и долей нанометра. Изменение резонансной частоты при изменении расстояния до исследуемой поверхности приводит к значительному изменению мощности отраженного излучения, многократно превосходящего по изменению мощности излучения в зонде ближнепольного микроскопа по сравнению с зондом без средства оптического согласования.

Средство для оптического согласования может быть выполнено и виде интегрально- оптического резонатора с резонансной, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. В этом случае резонатор локализует пространственное распределение электромагнитного поля до минимальных размеров, определяемых размерами скин-слоя в проводнике, а также размерами индуктивных и емкостных элементов с сосредоточенными постоянными. Величина локализации за счет развитой формы индуктивных и емкостных элементов, образующих метаматериал с пространственным распределением показателя преломления как положительной, так и отрицательной величины, превосходит локализацию, ограничиваемую только величиной скин-эффекта, и составляет единицы и доли нанометра. Резонансная частота интегрально оптического резонатора зависит также от расстояния интегрально оптического резонатора до исследуемой поверхности. При изменении расстояния от интегрально-оптического резонатора до исследуемой поверхности происходит изменение частоты резонатора, что приводит к изменению величины мощности отраженного электромагнитного излучения, многократно превосходящей мощность отражаемой от вершины конусного элемента без оптического согласующего устройства.

Сущность заявляемого зонда поясняется примерами реализации и чертежами.

На фиг. 1 представлен схематически вариант реализации зонда с использованием средства для оптического согласования в виде квантовых точек с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. На фиг. 2 представлен схематически вариант реализации зонда с использованием средства для оптического согласования в виде интегрально-оптического резонатора с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.

Пример 1. В первом варианте реализации зонд выполнен в виде отрезка оптоволокна, содержащего оболочку 1, сердечник 2 с заостренным конусообразным концом 3 с нанесенными на наружные поверхности конуса по крайней мере двумя электропроводящими элементами 4 и 5 с диэлектрическими промежутками между ними. В диэлектрическом промежутке размещена квантовая точка 6 с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. Например, при использовании лазера с длиной волны 540 нм квантовые точки могут быть выполнены из золота. Зонд функционирует следующим образом.

Вводимое в световод излучение от когерентного источника распространяется по сердечнику 2 диэлектрического световода расположенного в оболочке 1 с трансформацией электромагнитного поля оптического диапазона диэлектрического световода в электромагнитную волну металло-оптического волновода, состоящего из сегментов проводящего покрытия 4 и 5. Структура электромагнитной волны металло-оптического световода соответствует структуре волны двухпроводной линии электропередачи. Важнейшей особенностью электромагнитных волноводов с двумя и более электродами является отсутствие частоты отсечки, начиная с которой электромагнитный волновод становится запредельным. В результате отсутствия частоты отсечки возможно сжатие пространственного распределения электромагнитных волн в широком диапазоне частот вплоть до постоянного напряжения. Трансформация осуществляется в плавных переходах, в которых изменение величины волнового сопротивления составляет доли процента на длине равной длине волны используемого излучения. Применение плавных переходов уменьшает потери излучения за счет обратного рассеяния, что увеличивает мощность излучения на вершине зонда, повышает отношение сигнал/шум и пространственную разрешающую способность соответственно. Расположение на вершине конуса световода квантовой точки, резонансно поглощающей оптическое излучение, приводит к увеличению показателя преломления в межэлектродном пространстве, что приводит к повышению локализации пространственного распределения оптического излучения. Далее электромагнитная волна, распространявшаяся по металло-оптическому световоду, достигает вершины конусообразного сердечника световода и частично распределяется в пространстве далее вершины электропроводящих элементов 4 и 5 и квантовой точки 6. При подведении квантовой точки 6 зонда к исследуемому объекту происходит частичное отражение электромагнитной волны в обратном направлении, включая обратное прохождение по диэлектрическому световоду.

Пример 2. Во втором варианте реализации зонд выполнен в виде отрезка оптоволокна, содержащего оболочку 1, сердечник 2 с заостренным конусообразным концом 3 с нанесенными на наружные поверхности конуса по крайней мере двумя электропроводящими элементами 4 и 5 с диэлектрическими промежутками между ними. В диэлектрических промежутках размещен интегрально-оптический резонатор 7 с частотой спектра поглощения, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. Например, при использовании лазера с длиной волны 0,85 мкм интегрально-оптический резонатор может быть выполнен из алюминия в виде индуктивной и емкостной секций, размеры которой многократно меньше длины волны применяемого излучения.

Зонд функционирует следующим образом. В ближнепольном микроскопе оптическое излучение вводится в оптический световод зонда, распространяется до вершины световода 3 и частично распределяется в пространстве далее вершины электропроводящих элементов. При этом вводимое в световод излучение от когерентного источника распространяется по сердечнику 2 диэлектрического световода с трансформацией электромагнитного поля оптического диапазона диэлектрического световода в электромагнитную волну металло-оптического волновода. Далее электромагнитная волна, распространявшаяся по металло-оптическому световоду, достигает вершины конусообразного сердечника световода и частично распределяется в пространстве далее вершины электропроводящих элементов 4 и 5 и интегрально-оптического резонатора 7. Расположение на вершине конуса световода интегрально-оптического резонатора, резонансно поглощающего оптическое излучение, приводит к увеличению показателя преломления в межэлектродном пространстве, что повышает локализацию пространственного распределения оптического излучения. При подведении зонда с интегрально-оптическим резонатором к исследуемому объекту происходит частичное отражение электромагнитной волны в обратном направлении, включая обратное прохождение по диэлектрическому световоду.