МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
КОНОТОПСЬКИЙ ІНСТИТУТ
СУМСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО УНІВЕРСИТЕТУ
Факультет денної форми навчання
Кафедра електронних приладів і автоматики
Курсова робота
з дисципліни
«Електронно зондові прилади»
Індивідуальна тема:
Скануюча ближньопільна оптична мікроскопія
Студент гр. ЕП-91 М.Є.Котлубаєв
Науковий керівник, к. ф.-м. н.,
ст. викладач І.П.Бурик
Конотоп 2012
Зміст
-
Вступ……………………………………………………………………..
3
Розділ 1 Принцип роботи скануючого оптичного мікроскопа ближнього поля………………………..
5
1.1 Історія створення………………………………………………
1.2 Принцип роботи………………………………..
Розділ 2 Методи отримання зображення……………….
2.1 Апертурний та безапертурний СБОМ………………………..
2.2 Методи отримання випромінювання ………………………
Розділ 3 Різновиди мікроскопів…………………
3.1 Принцип дії та елементи будови мікроскопа Certus NSOM...
3.2 Модифікації мікроскопа Certus NSOM………………..
3.3 Мікроскопи ІНТЕГРА та Alpha300 S………………….
Висновки………………………………………………………………..
26
Список використаних джерел…………………………………
27
Вступ
Актуальність
Об’єктом дослідження даної роботи є оптична мікроскопія.
Предметом дослідження – скануюча ближньопільна оптична мікроскопія.
Метою курсової роботи є аналіз скануючої мікроскопії ближнього поля.
Відповідно до мети були поставлені наступні завдання:
розглянути історичні відомості про створення мікроскопа;
проаналізувати узагальнений принцип роботи
охарактеризувати методи апертурної та безапертурної скануючої оптичної мікроскопії ближнього поля;
визначити методи отримання випромінювання;
пояснити принцип дії та розглянути основні елементи будови мікроскопа Certus NSOM
дослідити розробки в напрямку модифікації мікроскопа Certus NSOM;
надати короткий опис мікроскопів ІНТЕГРА та Alpha300 S.
Методики дослідження
Шляхом абстрагування і історичного методу виявлено ключові моменти в історії, які безпосередньо вплинули на створення скануючого ближньопільного оптичного мікроскопа (СБОМ), за допомогою зворотного (елементарно-теоретичного) аналізу, порівняння, аналогії і дедукції віднайдено відомості про схожість теорії Сінга (1928 р.) з принципом роботи першого СБОМ (1982 р.), з використанням модельована та формалізації отриманий БСОМ за теорією Сінга.
Використовуючи метод типології і порівняння СБОМ з скануючим тунельним мікроскопом (СТМ) проаналізовано принцип роботи мікроскопа, а за допомогою методу синтезу, теорії і формалізації виявлено властивості субхвилі за допомогою якої виконується сканування, такою при моделюванні і формалізації показана схема роботи СБОМ.
Шляхом аналізу та порівняння охарактеризовані методи апертурної та безапертурної СБОМ, метод систематизація використовується при комп'ютерному моделюванні результатів сканування зразка.
Фасетний метод класифікації та метод формалізації використаний при дослідженні методів отримання випромінювання.
Шляхом структурно-генетичного аналізу виділені базові елементів конструкції мікроскопа Certus NSOM за допомогою типології та абстрагування висвітлено принцип дії даного БСОМ, використавши метод класифікації, моделювання та формалізації приведені методики освітлення та (або) детектування сигналу в мікроскопі.
Шляхом прямого (емпіричного) аналізу та абстрагування виявлені модифікації Certus NSOM, їх особливості та складові
дослідити розробки в напрямку модифікації мікроскопа Certus NSOM;
надати короткий опис мікроскопів ІНТЕГРА та Alpha300 S.
Шляхом прямого (емпіричного) аналізу і синтезу виявити особливості методів скрайбування алмазним різцем, скрайбування лазерним променем та різка алмазними дисками, а також методів розламування пластин на кристали. Шляхом порівняння встановити подібності (відмінності) параметрів методів скрайбування та різання. При використанні методу вимірювання дослідити можливі похибки при розділеннях пластин та підкладок. Зробити відповідне порівняння методів, щодо точності розділення. За допомогою методу узагальнення (виділити суттєві ознаки), формалізації та класифікації виконати стислу характеристику методів різання набором стальних полотен, різання дротом та ультразвукове різання.
Курсова робота складається з
У першому розділі
У другому розділі
Розділ 1 Принцип роботи скануючого оптичного мікроскопа ближнього поля
1.1 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 /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].
1.2 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.
Рисунок 1.3 – Схема роботи СБОМ
Роздільна здатність, отримана таким методом, досягає 50 нм, що на порядки перевершує роздільну здатність звичайного оптичного мікроскопа [3].