3. Другие сканирующие микроскопы

Как уже отмечалось ранее, вслед за СТМ и ACM в течение короткого времени была создана целая серия микроскопов ближнего поля, имеющих сходные принципы работы, но ис­пользующих разные физические эффекты. Скажем несколь­ко слов об особенностях и возможностях некоторых из них.

Ближнепольный оптический микроскоп (БОМ). В оп­тике существует проблема получения оптических изобра­жений объектов, существенно меньших длины волны света, связанная с существованием так называемого дифракцион­ного предела Аббе, который устанавливает минимальный размер (R) объекта, изображение которого может быть по­строено оптической системой при использовании света с длиной волны X:

R = X /2п,

где п — показатель преломления среды. Для оптического диапазона длин волн этот размер составляет величину поряд­ка 200 ... 300 нм.

Дифракция связана с эффектом излучения в дальнем поле. Оказывается, что на очень близких расстояниях от об­лучаемой поверхности (т. е. на расстояниях, много меньших длины волны падающего света, Z < 10 нм) в области ближне­го поля возникают так называемые «постоянно рождающие­ся» (ever nascent) волны, обусловленные полным отражени­ем света от облучаемой поверхности и имеющие длину волны много меньшую, чем волны, породившие это излучение. На столь малых расстояниях дифракционные эффекты не влия­ют на структуру поля, и оно с высокой точностью повторяет микрорельеф поверхности. Интенсивность излучения ближ­него поля резко спадает с увеличением расстояния от поверх­ности, однако длина его волны при этом не изменяется. Та­кое излучение можно рассматривать и регистрировать в ка­честве независимого отраженного луча, пользуясь обычными приемами (например, при помощи собирающей линзы и фо­тоэлектронного умножителя). Поэтому одним из перспектив­ных путей решения дифракционной проблемы является ис­пользование в световой микроскопии ближнего поля (как и в сканирующих зондовых микроскопах), которое существует вблизи поверхности облучаемых и излучающих объектов на расстояниях, меньших длины волны Я излучения, использу­емого для получения изображения. Эта идея была воплощена в ближнепольном оптическом микроскопе (БОМ) сверхвысокого разрешения. Ближнепольный оптический микроскоп был изобретен Дитером Полем (лаборатория фирмы IBM, Швейцария) в 1982 году сразу вслед за изобретением туннельного микроскопа. В качестве технической основы этого прибора были использованы эле­менты конструкции и электроника СТМ. Роль светового зон­да выполняют светоизлучающие и светопринимающие острия и диафрагмы (отверстия), радиус которых в 10 ... 100 раз меньше длины волны света, их размеры и определяют пространственное разрешение изображения, которое, как по­казывает опыт, находится на уровне 10 нм и меньше.

Метод позволяет сканировать поверхность образца анало­гично туннельному и атомно-силовому микроскопу, а его разрешающая способность при этом соответствует длинам «порождаемых» волн. Ближнепольное изображение форми­руется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распреде­ления интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы 1(х,у).

Существует несколько схем реализации ближнепольного оптического микроскопа. На сегодняшний день наиболее широкое применение нашли БОМ с зондами на основе опти­ческого волокна, представляющего собой аксиально-симмет­ричный оптический волновод (световод) из материалов с отличающимися показателями преломления. Сердцевина и оболочка световода изготавливаются, как правило, из особо­го кварцевого стекла, причем стекло, используемое для обо­лочки, имеет меньший показатель преломления, чем стекло для сердцевины. Такая система, вследствие явления полного внутреннего отражения, позволяет локализовать оптическое излучение в области сердцевины и практически без потерь транспортировать его на большие расстояния.

Зонды для БОМ изготавливаются путем травления конца оптического волокна в специальной смеси, которая является травителем для кварца. В процессе травления на конце во­локна происходит формирование конусообразного острия с характерными размерами меньше 100 нм. Затем кончик зон­да покрывается тонким слоем металла. Покрытие наносится с помощью вакуумного напыления под углом порядка 30° к оси волокна при вращении последнего, так что на кончике острия в области тени остается незапыленный участок малой апертуры (прозрачное окно), который и является ближне- польным источником излучения. Оптимальный угол при вершине зондов составляет порядка 20°.

На практике используются несколько конструктивных схем ближнепольного оптического микроскопа. Основные конфигурации БОМ показаны схематично на рис. 3.1. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазера локализуется в пространстве с помощью волоконного зонда. Такая схема позволяет получать макси­мальную мощность излучения в области субволнового от­верстия и проводить исследование образцов как на отраже­ние (рис. 3.1, а), так и на просвет (рис. 3.1, б). Для увели­чения чувствительности излучение, отраженное от образца или прошедшее сквозь образец, собирают на фотоприемнике с помощью фокусирующего зеркала или линзы. Кроме того, данная конфигурация БОМ широко используется в экспери­ментах по ближнепольной оптической литографии. В экспериментах, когда требуются высокие уровни опти­ческой накачки (как, например, при исследовании локаль­ных нелинейных свойств образцов), реализуется схема, в которой мощное лазерное излучение направляется на ис­следуемую структуру, а прием осуществляется с помощью ближнепольного зонда (в этом случае лазер и фотодетектор, показанные на рис. 6.18, нужно поменять местами).Сопряжение БОМ с оптическим монохроматором позволя­ет проводить локальные спектроскопические исследования образцов.

Основные области применения ближнепольных оптиче­ских микроскопов — это получение оптической информации о строении поверхности образцов в нанометровом масштабе

Рис. 3.1. Возможные конфигурации ближнепольного оптического

Микроскопа

и, в частности, исследование локальных оптических и фото­электрических свойств полупроводниковых фоточувстви- тельных структур, оптическая микрообработка поверхно­стей, исследование биологических объектов, нанотехнология. Представляется весьма перспективным использование БОМ для исследований и применений в области оптических запо­минающих устройств со сверхвысокой плотностью записи.

Запись информации с использованием излучения ближ­него поля. В оптических записывающих устройствах при высокой плотности записи информации (порядка десятков Гбит/кв. дюйм) считывание информации становится невоз­можным, что связано с известными трудностями и ограниче­ниями. В последние годы удалось преодолеть эти трудности благодаря методам записи информации, основанным на оп­тическом излучении ближнего поля. В настоящее время ис­следователи Японии научились осуществлять сверхплотную запись информации на некоторых средах, пользуясь упоми­навшимся выше «возникающим» излучением. Как показано на рис. 3.2, излучение ближнего поля с очень малой длиной волны формируется в очень небольшой области. Технология, основанная на использовании таких локальных «световых пятен», позволяет повысить плотность записи примерно в 1000 раз по сравнению с существующими системами записи. Основным элементом записывающей сис­темы является сужающееся (т. е. заостренное) оптическое волокно с диаметром прозрачного окна на конце острия в не­сколько десятков нм (что значительно меньше длины свето­вой волны, используемой при облучении). «Наконечник» или острие такого оптического волокна перемещается над плоскостью диска, на который производится запись, на рас­стоянии всего 10 ... 20 нм. Действие светового пятна излуче­ния ближнего поля на материал поверхности приводит к за­писи информации, т. е. к физико-химическим процессам и изменениям в записывающей среде, которые соответствуют, например, 1 биту информации (в качестве процессов записи информации в среде могут использоваться фазовые измене­ния, локальные изменения направления намагниченности, изменения коэффициента преломления среды и т. п.).

Рис. 3.2. Запись информации с использованием излучения

ближнего поля

При считывании поверхность должна облучаться волнами (длина которых соответствует излучению ближнего поля), которые после обычного процесса дифракции будут регист­рироваться собирающими линзами и фотоумножителями. Практически процесс считывания совпадает с описанным выше сканированием поверхности оптическими микроско­пами ближнего поля. Пространственная разрешающая способность процессов записи и воспроизведения информации описанным методом определяется размерами прозрачного окна на острие оптиче­ского волокна, которые должны быть много меньше длины волны облучающего излучения. Излучение ближнего поля («порождаемое» излучение) может быть использовано для записи информации в цифровой форме. Лежащая в основе метода идея позволяет обойти обычные дифракционные огра­ничения и получить запись с плотностью порядка 1 Тбит/кв. дюйм. Повышение плотности записи связано с тем, что за­пись 1 бита информации требует гораздо меньшей площади на поверхности диска.

Сканирующий тепловой микроскоп с термочувствитель­ным щупом (термопарой, изготовленной методами нанотех­нологии) дает возможность измерять температуру, что позво­ляет получать «карты» температурных полей в электронных и оптоэлектронных наноустройствах, а также термофизиче­ские характеристики наноструктур. Миниатюрная термопа­ра создается из материалов с разной работой выхода, соеди­ненных вблизи острия зонда. Локальность метода зависит в основном от размеров области соединения. Быстродействие процесса измерения температуры в данном случае определя­ется объемом вещества в области соединения различных ма­териалов, теплоемкостью и теплопроводностью последних. Большим достоинством метода является возможность иссле­дования материалов любых типов, а его недостатком — низ­кая разрешающая способность (единицы и десятки наномет­ров) и невысокое быстродействие.

В микроскопе магнитных сил (ММС) использован прин­цип атомного силового микроскопа ближнего поля. Если в ка­честве острия в силовом микроскопе использовать магнитное острие (намагниченную железную, никелевую проволочку или зерно ферримагнитного материала), то, сохраняя следя­щее устройство ACM, получаем возможность регистрировать микрополя ферримагнитной среды и представить их в виде карты намагниченности. Магнитно-силовой микроскоп был изобретен И. Мартином и К. Викрамасингхом в 1987 году для исследования локальных магнитных свойств образцов.

Магнитно-силовой микроскоп в своей работе использует кроме ван-дер-ваальсовых сил магнитные дипольные силы. При удалении зонда на 10 ... 50 нм от исследуемой поверхно­сти на зонд оказывают влияние практически только магнит­ные силы. В этом случае отклонение зонда от прямолинейно­го движения связано именно с магнитным взаимодействием.

В силу малых размеров зонд МСМ можно аппроксимиро­вать магнитным диполем. Сила F, действующая на зонд, определяется соотношением

F = то · grad Н,

где то — магнитный момент зонда, Н — напряженность маг­нитного поля.

Магнитный кластер на поверхности будет создавать во­круг себя магнитное поле, напряженность которого на рас­стоянии R от него равна

H(R) = [3r·(rm)-m]/R³,

где г — единичный радиус-вектор вдоль выбранного направ­ления, т — магнитный момент кластера. Таким образом, сила взаимодействия между зондом МСМ и магнитным клас­тером равна

F = grad { [3(r · т)² - тто] / R³ }.

Для дипольных моментов, ориентированных по оси Z, сила взаимодействия между зондом и кластером равна F_z = 6 тто / , а величина градиента силового поля dF_z/dz = 24 тто / z⁵.

Например, для двух кластеров железа диаметром 10 нм

(то = т ~ 9 · А · ), расположенных на расстоянии 10 нм, значение магнитной силы взаимодействия составляет ~ 4,9 · Н, а градиент силы — ~ 1,9 Н/м. Такие ве­личины и регистрирует МСМ. Чувствительность по магнит­ному потоку составляет 10^-4 Тл.

Кантилевер размещается над образцом, при этом маг­нитная сила F, действующая на образец, приводит к изги­бу кантилевера и вертикальному перемещению зонда. Это перемещение согласно закону Гука определяется механи­ческой жесткостью кантилевера (-0,1 ... 10 ). Изгиб кантилевера фиксируется с помощью оптического датчика малых перемещений, подобно используемому датчику в системе ACM.

Для получения МСМ-изображений (карты намагниченно­сти) образцов используют квазистатические и колебательные методики. И в том, и в другом случае для исследования об­разцов со слабо развитым рельефом поверхности использу­ется однопроходная методика, а для образцов с развитым рельефом — двухпроходная методика: при первом проходе зонд движется по поверхности образца в контакте с ней, при этом записывается рельеф поверхности образца, а при вто­ром проходе датчик при движении повторяет рельеф поверх­ности, не соприкасаясь с последней, и записывает уже непо­средственно силу магнитного взаимодействия.

МСМ применяется для исследования тонких пленок, на­нокластеров, нанокомпозитов и наноструктур, магнитных носителей информации, используется для оптимизации маг­нитной записи. Метод позволяет увидеть отдельные магнит­ные области и домены с размерами от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров.

Электросиловой микроскоп (ЭСМ) построен на основе атомного силового микроскопа с лазерным считыванием, в котором для получения информации о свойствах поверхно­сти используется электрическое взаимодействие между зон­дом и образцом. Острие и образец рассматриваются как кон­денсатор, а с помощью электросилового микроскопа может быть измерено изменение емкости до Ф с полосой про­пускания 1 Гц. С помощью ЭСМ можно измерить силы элек­тростатического взаимодействия и получить картину распре­деления заряда на поверхности твердого тела. С его помощью можно измерить изменение потенциала вдоль поверхности образца бесконтактным методом, в том числе распределение локальных значений контактной разности потенциалов. По­скольку емкость полупроводника зависит от концентрации носителей, важным применением этого микроскопа являет­ся определение распределения профиля легирования вдоль поверхности образца или в полупроводниковых устройствах путем измерения вольт-фарадных (C-U) характеристик с пространственным разрешением в нанометровой области.