Розділ 2 спектроскопія. Методи скануючої зондової мікроскопії.
Спектроскопія - розділ фізики, присвячений вивченню спектрів електромагнітного випромінювання. Аналіз спектрів дозволяє визначати енергетичні рівні досліджуваної системи. Також з наявності й інтенсивності випромінювання певного роду в спектрах проводять якісний і кількісний аналіз складу речовини. Можна виділити два типи спектроскопії. У рамках класичної спектроскопії спектр отримують завдяки розкладу світла призмою, або дифракційною ґраткою.
Рисунок 2.1. Розклад світла призмою [5]
Другий тип — Фур'є спектроскопія. У цьому випадку вимірюється часова залежність коливання системи. Після виконання перетворення Фур'є отримують частотну характеристику системи.
2.1 Комбініційне розсіювання
Комбінаційне або Раманівське розсіювання відкрили в 1928 році Раман і Крішнан, а також, незалежно, радянські фізики Мандельштам і Ландсберг. Комбінаційне розсіювання – непружне розсіювання світла, при якому частота розсіяної хвилі змінюється на величину частоти власних коливань молекули.
Випромінювання на частоті меншій від частоти падаючої хвилі називається стоксовим. При стоксовому випромінюванні частина енергії поглинутого фотона йде на збудження коливань у молекулі.
Рисунок 2.2. Схема рівнів та переходів між ними при раманівському розсіюванні [1]
Випромінювання на частоті більшій за частоту падаючої хвилі називається антистоксовим. При антистосковому випромінюванні молекула віддає електромагнітному полю енергію свого коливання.
Раманівське розсіювання широко використовується для вивчення коливальних спектрів молекул, характеристики поверхні кристалів.
2.2 Оптичної мікроскопія ближнього поля (сбом).
Скануюча оптична мікроскопія ближнього поля (СБОМ) це один із способів подолати межу діффракціі. Світло не може пройти через отвір менше половини довжини хвилі (близько 200 нм для видимого світла). Але на відстанях, порівнянних з довжиною хвилі світло може «заходити» за площину отвору.
Нові напрямки в науці вимагають нових методів дослідження. Для отримання найбільш повної інформації про досліджуваний зразок необхідний комплексний підхід, що поєднує в собі можливості відразу декількох вимірювальних методик.
Іншими словами, якщо дуже маленький отвір підвести дуже близько до поверхні, світло зможе провзаємодіяти з речовиною (розсіятися, відбитися, викликати флуоресценцію). Тому людьми придумані різні варіанти пристроїв, що дозволяють їх підводити, світло до таких «дуже маленьких» отворів (реальний діаметр отвору 50-100 нм) і підводити самі такі «джерела» світла дуже близько до поверхні.
Рисунок 2.3. Оптична мікроскопія ближнього поля. [7]
Практично всі з відомих схем СБОМ реалізовані в приладі ІНТЕГРА Спектра (виробництва НТ-МДТ). Нанолабораторія ІНТЕГРА Спектра - це перша в світі інтеграція атомного-силового мікроскопа (АСМ) з конфокальної КР / флуоресцентної мікроскопії та спектроскопією.
Рисунок 2.4. ІНТЕГРА Спектра. [7]
Використовуються такі прилади для дослідження оптичних властивостей поверхні з роздільною здатністю до 30 нм. Наприклад, у виробництві нанорозмірних оптичних пристроїв, фундаментальних дослідженнях фотоніки та плазмонікі, а також для розробки технологій альтернативної енергетики (високоефективні фотоперетворювачі).У тому ж приладі є можливість з'єднати АСМ і спектроскопію комбінаційного розсіювання (КР). Крім простого з'єднання методів, прилад дозволяє реалізувати режим гігантського посилення сигналу КР (TERS - tip-enhanced Raman scattering). Цей режим дає можливість робити спектроскопію (яка за логікою обмежена диффракцією) з роздільною здатністю до 14 нм.