Новотный и Хехт, Основы нанооптики

которое мы задали в виде feEo. Когда диполь головки определен, можно записать

электрическое поле Е вблизи нее; оно имеет вид

(631 )

где го задает расстояние от точки, в которой расположен диполь JL, а G - диадная функция Грина.

При изучении флуоресценции усиленное поле используется для локального воз­ буждения исследуемого образца в более высокие электронные состояния или зоны Формирование изображения основано на последовательных актах испускания флуо­

ресценции. Однако флуоресценция может быть подавлена из-за присутствия зонда.

т. е. энергия возбуждения может быть передана в зонд, а затем рассеяна по раЗНЫ~I

каналам в тепло [65] (см. задачу 8.8). Таким образом, имеет место конкуренция двух

процессов: усиления поля и гашения флуоресценции. Может ли наблюдаться усилен­ ный сигнал флуоресценции от молекулы, расположенной вблизи облучаемой лазеРО~I головки, критическим образом зависит от формы головки и условий возбуждения. причем играет роль не только величина усиливающих поле факторов, но и их фаза.

Было показано, что металлические головки, возбуждаемые сверхкороткими ла­ зерными импульсами, являются источниками излучения второй гармоники, а также

широкого спектра люминесценции. Локальная генерация второй гармоники ИСПОJIЬ­

зовалась в качестве локализованного фотонного источника для изучения поглощения

в ближнем поле [66]. Так как генерация второй гармоники представляет собой

мгновенный эффект, измеренное время жизни широкого спектра люминесценции

головки оказалось менее 4 пс [67].

Изготовление твердотеЛЬНbtх металлических головок

Технологии изготовления острых металлических головок развивались, в основ­

ном, в приложениях ионной силовой микроскопии [68], а также сканирующей тун­ нельной микроскопии (СТМ) (см., например, [69]). Реальная геометрическая форма

головки оказывается не столь значимой в приложениях СТМ дЛЯ плоских образцов

благодаря наличию выступающего над поверхностью атома и достаточной проводи­

мости вдоль ствола головки. В противоположность этому, в оптических приложениях

необходимо также контролировать мезоскопическую структуру головки, т. е. ее ше­

роховатость, угол схождения на конус, радиус кривизны, а также упорядоченность

структуры материала. Далеко не любая технология травления обеспечивает достаточ­ ное «оптическое» качество. Поэтому альтернативным методом для контролируе~IOГО

изготовления головок может служить ионная бомбардировка [70].

При электрохимическом травлении металлический провод погружается в травиль­

ный раствор, а затем между проводом и также погруженным в раствор противополож­

ным электродом прикладывается напряжение. Поверхностное натяжение в растворе

приводит к формированию мениска вокруг провода. Наиболее быстро травление

происходит в области мениска. Когда провод протравливается насквозь, находящаяся в растворе нижняя его часть падает в сосуд с раствором. К этому моменту головка

сформировалась на обоих концах, как в жестко удерживаемой верхней части провода,

так и в нижней, упавшей на дно сосуда. К моменту падения верхняя часть головки все еще находится в контакте с раствором из-за сформировавшегося мениска. По­ этому если напряжение, необходимое для травления, не будет выключено, процесс травления продолжится, что повлечет изменение свойств остроты головки. ТаКИ~I

Рис 6.36 Золотая головка, вытравленная из золотого провода методом, описанным в тексте Радиус кривизны в области головки около 10 нм

мом деле головка состоит из набора кристаллических зерен с иногда меНЯЮLЦейся

конфигурацией решетки. Природа возникновения таких зерен заложена в процессе

изготовления исходного металлического провода и известна уже давно, с начала

эпохи силовой ионной микроскопии. В силу наличия подобных зерен описание ЭJ1ек­

тромагнитных свойств головки макроскопической функцией e(W) является довольно

грубым приближением. В реальности, как правило, коэффициент усиления оказыва­ ется заметно меньше того, который предсказывается расчетами, а кроме того. сильно

с учетом эффектов нелокальности приводит к формулировке необходимости создания

металлических головок на основе единого кристалла.

Для подавления шумов, связанных с длительностью экспозиции образца, облучаемого лазерным пучком, Фрей (Frey) с соавторами впервые преДЛОЖИJ1И

использовать так называемый апертурно-игольчатый зонд (АИЗ). В таком подходе

мини-головка выращивается непосредственно на конце апертурного зонда. Принцип изготовления такого зонда показан на рис. 6.37. Конец готового апертурного зонда

подвергается воздействию сфокусированного электронного пучка в стандартном

сканирующем электронном микроскопе (СЭМ). Электронный пучок вызывает рост

50 100 НЮ 200 2JiO

у(мм)

Рис 637 Геометрия апертурно-игольчатого зонда' а. 6 - схема процесса ИЗГОТОВ.~ения.

включая формирование небольшой головки и последующее напыление металла, в, г - соответ­

ствующие процессу на схемах (а) и (6) изображения возникающих структур, полученные при

помощи сканирующего электронного микроскопа; д - флуоресцентныii отклик от флуорес­

центной сферы. находящеiiся под миниголовкой. Сильная локализация по вертикали у"азывает на высокое поперечное разрешение Заимствовано из [71]

углеродной головки в месте попадания пучка рис. 6.37, а, в. Когда завершается

процесс роста этой «примесной головки», зонд покрывается тонким слоем хрома и

алюминия напылением под углом, как показано на рис. 6.37, б. Это приводит К пе­

рекрытию апертуры за исключением щели (см. рис. 6.37, г), происхождение которой

связано с тенью, отбрасываемой головкой. Миниголовка может возбуждаться через узкую щель путем простого заведения света в противоположный конец волокна. На рис. 6.37, д показан флуоресцентный отклик такого зонда с использованием

ф.1уоресцентноЙ сферы в качестве тестового объекта. Сильная локализация в

направлении оси ::; дает основание ожидать получения оптической визуализации

ближнего поля очень высокого разрешения. Зонды типа АИЗ являются очень

привлекательными объектами и с точки зрения смещения и позиционирования го:ювки. Освещаемая извне металлическая головка должна удерживаться внутри освещаемой площадки, а возникающие со временем смещения требуют повторной

юстировки. Следует ожидать, что конфигурация типа АИЗ будет более широко

использоваться в будущих приложениях ближнего поля.

6.5.2. Корпускулярно-плазмонные З0НДЫ. Динамика газа свободных элек­

тронов в геометрии ограниченного пространства характеризуется наличием выде­

.1eHHbJX мод, известных как поверхностные плазмонные резонансы (более детально

01 гл 12). Эти резонансы сопровождаются усилением электромагнитных полей. По­ дробно разработанные приложения поверхностных плазмонов в области оптической

'Iикроскопии ближнего поля предлагались различными группами. В предыдущей Г.lаве мы обсуждали усиливающие поле металлические головки; следует упомянуть в числе различных вариантов этих приложений и незаурядную методику, предложен­

ную Весселом (Wessel) [60].

Изящной демонстрацией принципа плазмонного зонда явился эксперимент Фише­ ра (Fischer) и Поля (Pohl), проведенный в 1989 г. [72], его принципиальная схема показана на рис. 6.38, а Золотая пластина толщиной 20 нм располагается поверх

полистироловых шариков, адсорбированных на стеклянной подложке с золотым по­

крытием. Для создания в золотой подложке поверхностных плазмонов используется

под.светка кречманновского (Kretschmann) типа (см. гл. 12). Рассеяния поверхност-

а б в

-1О00нм

Рис б 38 Корпускулярно-плазмонный зонд а - Полистироловый шарик на плоской стеклян­ ной подложке. покрытой слоем золота толщиной 20 нм И освещаемый в геометрии Кречманна (Кгеtsсhmапп) Рассеяние выступающей части измеряется, когда образец подводится с другой стороны б - Измеренная интенсивность рассеяния в зависимости от расстояния от частицы

.:10 поверхности для двух случаев' s- и р-поляризации. в - Изображение, записанное в ре­ жиме постоянной высоты с использованием туннельной электронной обратной связи Заимство-

вано из [72]

поля, являющаяся по сути .. входной щелью., представляет собой место расположения

излучателя или приемника. Изначально теория антенн была разработана для элек­ тромагнитного излучения в радиодиапазоне частот. Основываясь на инвариантности уравнения Максвелла относительно масштабного преобразования, можно предпола­

гать, что параметры антенн могут в оптическом режиме быть просто уменьшены в соответствующее число раз. Однако материальные константы при переходе из микроволнового в оптический диапазон изменяются очень существенно. Если в мик­

роволновом диапазоне металлы еще могут рассматриваться как идеальные проводни­

ки, в оптическом диапазоне такого предположения сделать нельзя. Следовательно.

оптическим антеннам приходится бороться с потерями, но они могут выигрывать за

счет коллективных электронных резонансов, т. е. поверхностных плазмонов, которых

не существует в традиционных антеннах. Использование поверхностных плазмонных

резонансов в конструировании оптических антенн представляется весьма обнадежи­

вающим в плане компенсации тепловых потерь. И хотя создание оптических антенн было во многом вдохновлено разработками в радиочастотном и микроволновом

диапазонах, следует ожидать, что обнаружение здесь новых физических явлений

потребует исследования новых геометрий и сочетания материалов [59].

аб

Длина волны

Рис. 641 Антенна-.бабочка. как зонд а - Геометрия антенны б - Эксперимента.1ьная

установка, используемая для демонстрации работоспособности на микроволновых частотах в, г - Измеренное распределение интенсивности в присутствии и в отсутствие антенны.

устанавливаемой перед волноводом. Заимствовано из [781

Антенна-..бабочка. является антенной с практически идеальным согласованием

импедансов. Применение этой антенны в области оптики ближнего поля было впер­ вые предложено в 1997 г. совместно с микроволновыми экспериментами, обосновы­

вающими принцип ее работы [78]. Эти эксперименты ясно показали, что субво.l­

новая локализация электромагнитного излучения может быть получена с помошью

структуры типа антенна-..бабочка•. Более того, было показано, что при оптимиза­

ции согласования импедансов можно получить очень эффективную подачу электро­

магнитной энергии в область ближнего поля (большую пропускную способность)

Изготовлением оптических антенн-..бабочек. занималось несколько научных групп. Для того чтобы работать в качестве ближнепольного оптического зонда, ..бабочка»

.10.1жна устанавливаться на обеих сторонах острой диэлектрической головки по

аналогии с зондом атомно-силового микроскопа.

6.6. ЗаКJIючение

в настоящей главе мы представили обзор различных типов зондов для оптики

б.ll1жнerо поля, обсудили разнообразие зондов, связанное с различными свойствами

из.JучениЙ ближнего и дальнего поля, а также схем детектирования. Знания теоре­

тических основ недостаточно, необходимо умение понимать, как приложить конкрет­

ную зондовую структуру К реальной задаче. Мы также рассматривали процедуры их изготовления и возможные проблемы, которые возникают в процессе использования

таких структур. Данная глава не претендует на полноту, т. к. разработка новых

ОlOг.1И здесь рассказать обо всех описанных в литературе зондовых структурах и технологиях их изготовления, однако, чтобы сделать наш обзор более или менее

.1аконичным, мы попытались осветить наиболее важные и показательные работы.

Задачи

6 1 Получите распределение интенсивности в стоячей эванесцентной волне на гра­

нице раздела стекло-воздух, создаваемое двумя встречными эванесцентными

волнами одинаковой интенсивности и поляризации. Рассмотрите линейный про­ филь в направлении, перпендикулярном интерференционным полосам, и рас­ считайте свертку с гауссианом заданной полуширины. Как влияет полуширина на видность интерференционных полос?

6.2.Получите разность коэффициентов прохождения через апертурный зонд, по­

"РЫТЫЙ алюминием, и апертурный зонд с покрытием, обладающим бесконечной

проводимостью. Считайте, что диаметр отверстия составляет 100 нм, а угол схождения на конус 8 = 100.

63 Получите поля вблизи идеально проводящего диска с помощью принципа Бабине. С помощью решений Баукампа получите поля в плоскости диска.

головки, а верхний индекс уас указывает на то, что поля вычислены на границе

со стороны вакуума. Поле на частоте второй гармоники, генерируемое Р",

вычисляется по формуле

поверхности интегрирования возьмите полусферу. Определите эффективный дипольный момент головки, осциллирующий на частоте второй гармоники.

1. Carminati R., NietoVesperinas М., and Oreffet 1.-1. Reeiproeity of evaneseent eleetromag-

6.Pangaribuan Т., Yamada К., Jiang S., Ohsawa Н., and Ohtsu М. ReproducibIe fabrication technique of nanometric tip diameter НЬег ргоЬе for photon seanning tunneling microseope / / Jap. J. Аррl Phys. 1992. У.31. Р L1302.

7.Yatsui Т., Kourogi М., and Ohtsu М. Increasing throughput of а near-field optical fiber

13. Naber А ,Molenda D., Fischer и С, et al. Enhanced light eonfinement in а near-field optical

Р 378-382.

21.Novotny L. and Hafner С. Light propagation in а cylindrical waveguide with а complex.

metallic, dielectric function / / Phys. Rev Е 1994. У.50. Р 4094-4106