РАЗРАБОТКА СКАНИРУЮЩЕГО БЛИЖНЕПОЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА В РЕЖИМЕ НА ОТРАЖЕНИЕ

Скурихин Андрей Владимирович

студент 6 курса Московского физико-технического института, г. Долгопрудный

E-mail: 

Быков Виктор Александрович

д-р техн. наук, генеральный директор ЗАО NT-MDT

E-mail: vbykov@ntmdt.ru

DEVELOPMENT OF NEAR-FIELD OPTICAL MICROSCOPE OF REFLECTION MODE OPERATION

Andrey Skurikhin

6^th year student of the Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgorudny

Victor Bykov

DE, CEO of close corporation NT-MDT

АННОТАЦИЯ

Статья описывает комплекс мер по разработке и созданию сканирующего ближнепольного оптического микроскопа, способного работать в режиме «на отражение». Этот режим позволяет исследовать поверхностные оптические свойства непрозрачных образцов и обладает другими преимуществами. Статья описывает механизм работы созданного прибора и раскрывает методы проведения измерений на нем, а также представляет результаты тестовых измерений и характеристики прибора.

ABSTRACT

The article describes package of implementation measures for development of the Near-Field Scanning Optical Microscope that can operate in “Reflection” mode. This mode allows researching surface optical properties of opaque samples and has a lot of other advantages. The paper reveals the mechanism of functioning of the designed and produced device in detail and tells about techniques of performing experiments with it. It presents the results of testing measurements and ultimate properties of the instrument.

Ключевые слова: ближнепольная микроскопия; СЗМ; Интегра Спектра; кварцевый камертон; плата управления; «загнутые» оптоволоконные зонды; (электро)химическое травление; вольфрамовые зонды; эффект ГКР

Keywords: NSOM; SPM; Ntegra Spectra; tuning fork; control circuit; bent fiber probe; etched tungsten tip; TERS

Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) является в настоящее время передовой областью в науке и технологиях, потому что она сочетает возможности сканирующей зондовой микроскопии и возможности оптической микроскопии. СБОМ позволяет изучать нанометровые объекты. Помимо формы и размеров, интерес для исследователей представляют также химический состав, молекулярная структура и динамические свойства. Для изучения таких свойств, требуются микроскопы с высоким пространственным и спектральным разрешением. Разрешение классического оптического микроскопа ограничено дифракционным пределом Аббе: минимальный размер объектов, который можно измерить в конфокальной микроскопии, составляет Δx=λ/(2NA), где NA — это числовая апертура [2]. Тем не менее, современные наука и технологии нуждаются в приборах и методах, которые бы позволили описывать, образовывать и манипулировать структурами, размером до нескольких нанометров. СБОМ позволяет исследовать образцы с пространственным разрешением вплоть до 20 нм. До недавнего времени применение методик СБОМ ограничивалось технологическими проблемами их реализации, однако сейчас они являются важным инструментом для анализа поверхности, применяются для решения разнообразных задач физики, химии, биологии, медицине, материаловедении и других областях.

Впервые экспериментальная схема, позволяющая достичь нанометрового режима, была описана Синджем, который предложил использовать интенсивный источник света за тонкой непрозрачной пленкой металла с круглым отверстием диаметром в несколько десятков нанометров (рис. 1), в результате чего получался бы точечный источник света, который используется для локального освещения малых участков образцов. Для этого диафрагма в пленке должна быть не дальше от образца, чем ее диаметр (апертура). Регистрируя излучение, прошедшее через участок образца или отраженное от него с помощью чувствительного фотодетектора, можно получать оптические изображения объектов с высоким разрешением. При размере диафрагмы меньше 160 нм видимое излучение не проходит через нее, а за ней возникает экспоненциально затухающее (эванесцентное) электромагнитное поле. Однако часть этого поля может превратиться в свободно распространяющееся излучение при взаимодействии в ближнем поле (L<λ*λ/D≈20 нм, D — диаметр выходного отверстия (апертуры), λ — длина волны излучения) с наночастицами образца.

Рисунок 1. А) Прохождение плоской волны света через отверстие в экране с субволновой апертурой. Б) Линии постоянной интенсивности оптического излучения в области субволнового отверстия

Такая субволновая диафрагма технологически реализована в виде оптоволоконных зондов (рис. 2). Процесс изготовления оптоволоконных зондов для СБОМ технологически сложный и слабо воспроизводимый, его можно разделить на две стадии. Первый шаг состоит в создании прозрачного,

конического сужения к вершине зонда с радиусом кривизны на кончике менее 100 нм одним из методов: «нагрева и вытягивания» или химического травления. Вторая стадия — это напыление алюминиевой пленки для формирования выходной апертуры (непокрытой области) зонда. При распространении излучения лазера по оптоволокну на выходе (кончике) зондов образуется эванесцентное поле со сложной структурой, сильно локализованное вблизи апертуры. Это поле может быть преобразовано в распространяющееся излучение нанообъектами в ближнем поле [1], которое регистрируется в каждой точке образца чувствительным детектором (ФЭУ, ПЗС-камерой или др.). Таким образом, можно сформировать оптические изображения участков образца с субмикронным пространственным разрешением и исследовать их свойства. Возможны две конфигурации работы в методе СБОМ при записи сигналов, несущих информацию об образце: в проходящем и отраженном свете. Техническая разработка средств реализации режима «на отражение» позволит изучать непрозрачные для видимого света образцы методом микроскопии ближнего поля, что и являлось целью настоящей работы. Для осуществления этой цели были поставлены следующие задачи:

1.  Детальная разработка и выпуск столика с электрической раскачкой кварцевого камертона

2.  Создание методик работы с новым прибором

3.  Тестирование и исследование характеристик нового изделия

4.  Исследование параметров СБОМ-зондов, используемых в новом методе: разрешающей способности, коэффициента пропускания, оптимальных геометрических характеристик и др.

Актуальность задачи состоит в создании нового режима работы с широкими возможностями как приложения прибора Ntegra Spectra.

Благодаря горизонтальному типу держателя колебания столика проходят перпендикулярно оси камертона, таким образом, достигается большая чувствительность при поводе. Положительным следствием этого свойства является гораздо меньшая изнашиваемость зонда, сохранение диаметра апертуры после нескольких циклов сканирования и возможность многократного проведения измерений с получением того же самого разрешения. Это отличает их от традиционного метода ближнепольной микроскопии (“shear-force”), где зонд закреплен вертикально и подводится сверху вниз. В этом случае, «поперечная» сила воздействует на зонд в непосредственной близости (<50 нм) от поверхности образца, из-за возможных ошибок обратной связи его апертура может измениться при подводе и во время сканирования. В отличие от апертурных кантилеверных зондов (таких, как NASCATEC NST-SNOM-AP-AL-WAP или WITEC SNOM-100) «загнутые» зонды в силу своих геометрических характеристик, можно использовать для работы в режиме «на отражение». Перед каждым экспериментом проводился отбор, подготовка образцов, настройка и проверка приборов.

Рисунок 3. А. Прибор Ntegra Spectra. Б. Камертон с СБОМ-зондом закреплен в столик SNLG01SNA

Измерения проводились на приборе Ntegra Spectra (ЗАО NT-MDT, рис. 3а) с использованием измерительной головкой SNLG103NTF, а также разработанного столика SNLG01SNA (рис. 3б) с платой Kamerton для электрической раскачки камертона. На одну из лапок столика подавался переменный сигнал синусоидальной формы, с другой лапки снимался сигнал, формируемый на электродах кварцевого камертона за счет обратного пьезоэффекта. Регистрация излучения в режиме «на отражение» производилась УЭ ПЗС-камерой (EMCCD) Andor Newton DU970P-BV. Зонды 10-E50-SMF28-AL50, выпускаемые компанией LovaLite (г. Безансон, Франция), представляют собой оптоволокно SMF28 с алюминиевым покрытием, изготовленные методом «нагревания и вытягивания» с диаметром апертуры 100 нм (заявлено фирмой-производителем, однако реально это оказалось не совсем так), загнутые под углом 45 градусов на расстоянии 1,5 мм от его кончика. Перед каждым экспериментом зонд с частью оптоволокна приклеивался к боковой части зубчика камертона и закреплялся на столике. Источниками излучения были лазеры LM473, λ=473 нм (лазер с диодной накачкой, Cobolt Blue) и LM633, λ=632.8 нм (He-Ne лазер, Melles Griot). Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.

Рисунок 4. Схема экспериментальной установки: 1. Зонд. 2. Образец. 3. Объектив. 4. Зеркало. 5. Объектив. 6. Матрица ПЗС камеры.

В ходе испытаний изделие SNLG01SNA проверялось на ожидаемые характеристики. Латеральное разрешение по осям ХУ составило ок. 100 нм, стабильность сигнала Mag (шумовая характеристика): менее 5 пА/10 мин. Среднеквадратичное отклонение при измерении рельефа идеально гладких образцов RMS_SensHeight=0,4 нм. Во время 9 часов непрерывного сканирования поля 100*100 мкм (с шагом 100 нм) не замечено перескоков и существенных отклонений, что доказывает высокую стабильность работы. На полученных изображениях четко видны артефакты поверхности (рис. 9). Образцами были калибровочные решетки TGQ, TGZ, SNG (рис. 6, 7, 8), а в качестве зондов использовались электрохимически вытравленные вольфрамовые, золотые и серебряные иглы с радиусом кривизны на кончике ок. 100 нм [3].

По результатам СБОМ-тестирований определены важные параметры «загнутых» зондов. Оптическое разрешение составило менее 200 нм (рис. 5, 6, 7), для сравнения: конфокальное разрешение — λ/(2NA)=400 нм. Разрешение по оси Z — менее 1 нм. Коэффициент пропускания составляет T~. К недостаткам используемых зондов для данного микроскопа являются сложность и низкая воспроизводимость их изготовления, слабая механическая прочность, небольшой коэффициент пропускания.

Основной проблемой для работы в режиме микроскопии ближнего поля было создание высокочувствительной системы подвода при малых колебаниях камертона. Амплитуде раскачки генератора 0.1*0.1 отн. В соответствует амплитуда колебаний зубцов камертона 25 нм. Эта проблема была решена путем проектирования и создания особой платы управления. Полезный сигнал извлекался и усиливался с помощью двух генераторов, которые управлялись специально разработанным программным обеспечением. Параллельно устранялись некоторые недостатки пьезокварцевых камертонов (наклон резонансной характеристики, эффект антирезонанса и др.). На данном приборе, помимо СБОМ-измерений, в режиме «на отражение» проводились измерения спектров КР синего крезилового красителя на золотой положке с целью получить эффект ГКР при использовании серебряных и золотых игл. Однако пока не удалось получить отличное разрешение и значительное возрастание (усиление свыше k>3 раз) сигнала КР на острие зонда. В настоящее время ведутся исследования и разработки в данном направлении.

Существуют также другие оптические схемы и методы с возможностью исследования непрозрачных образцов в режиме «на отражение» (см. рис. 5). Зонд подводится к образцу сверху, объектив находится сбоку и собирает отраженное (рассеянное образцом) излучение, которое затем регистрируется фотоприемником. При реализации оптической системы «на отражение» используются лазерный и люминесцентный режимы (рис. 5). Данный метод обладает серьезными недостатками: линзы, которые можно использовать в данной конфигурации, обладают малой апертурой, поэтому регистрируется довольно малая часть излучения из-под зонда. Кроме того, в данном случае, используется обратная связь по методу «поперечной» силы, что может повредить зонд и сильно изменить его апертуру зонда при подводе и сканировании. С практической стороны, существует сложность в точной настройке совмещения длиннофокусной линзы с кончиком зонда, а также удержания их взаимного расположения в силу механических и тепловых дрейфов в течение длительного времени работы.

Рисунок 5. 1. Лазерный метод. 2. Люминесцентный метод.

Предлагаемый метод работы режима «на отражение» выгодно отличается от предыдущего: простота настройки, возможности использования объективов с высокой апертурой, совмещения с другими режимами работы, использования чувствительных фотодетекторов, а также высокая чувствительность при подводе образца к зонду.

Выводы

1.  Разработан и изготовлен новый прибор, реализующий режим работы в режиме на отражение в микроскопии ближнего поля

2.  В ходе проведения тестовых экспериментов создана оптимальная методика работы с новым прибором.

3.  В результате тестирований, получены следующие результаты: коэффициент пропускания зондов оказался невысоким T~10е-6. Оптическое разрешение: менее 200 нм, разрешение по оси Z менее 1 нм, латеральное разрешение ок. 100 нм. Для сравнения в конфокальной микроскопии разрешение не менее 400 нм.

4.  Кроме того, прибор показал высокую стабильность работы и низкие шумовые характеристики в сочетании с прекрасным пространственным разрешением (менее 100 нм).

Рисунок 6. Образец — калибровочная решетка SNG01:

1. СБОМ-изображение решетки регистрацией сигнала с ПЗС-камеры Peak_Value_Count_472_473_nm, NA=0.9, λ=473 нм. Разрешение 200 нм, режим на «пропускание».

2. Конфокальное изображение образца с помощью ФЭУ, лазер λ=632.8 нм, объектив NA=0.9

Рисунок 7. 1. Изображение образца в режиме на «отражение».

Сигнал Area_Count_632_634_nm. Разрешение 276 нм, лазер λ=632.8 нм, объектив NA=0.7.

2. Топография решетки, разрешение по оси Z: 0.57 нм

Рисунок 8. 1. Изображение топографии образца (после Фурье-фильтрации). 2. Изображение образца в режиме на «отражение». Сигнал Peak_Value_Count_632_634_nm.

Рисунок 9. 1. Пространственное разрешение по осям XY ок. 100 нм (зависит от радиуса кривизны зонда). Образец: решетка TGQ1. Измерение стабильности работы столика:

2. Время получения скана 9 часов (минимальная скорость сканирования: 0,03 Гц, число точек 1024*1024, полный диапазон 100*100 мкм). Образец: решетка TGQ1.

3. Дрейф амплитуды раскачки столика со временем Δmag/Δt менее 5 пА/10 мин., что составляет ~0,003 % от текущего значения Mag на резонансной частоте. Значение SetPoint при «мягком» подводе зонда к образцу на 0,1—0,2 нА меньше резонансного значения Mag. Исходя из этих данных, можно сказать, что стабильность работы столика высокая.

4. Изображение топографии углеродной нанотрубки

Список литературы:

1.Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. — Нижний Новгород: Институт физики микроструктур РАН, 2004. — 116 с.

2.Chibani H., Dukenbayev K. Near-field scanning optical microscopy using polymethylmethacrylate optical fiber probes — Ultramicroscopy, pp. 211—216, 18 November 2009.

3.Hecht B., Deckert V., Martin O. Scanning near-field optical microscopy with aperture probes: Fundamentals and applications. — The Journal of Chemical Physics, vol. 112, No. 18, pp. 7761-7774, 8 May 2000.