Новотный и Хехт, Основы нанооптики

Р3695-3697

53.Vollkopf А , Rudow О., Leinhos Т, Mihalcea С , and Oesterschulze Е ModiГied fahricatlOn

proeess for aperture ргоЬе еапШеvегs / / J. Microse 1999 У 194 Р 344-348

54 Ваиег Р., НесЫ В , and Rossel С Piezoresistive eantilevers as optieal sensors Гог sеаПП1пg near-fie1d mieroseopy // Ultramieroseopy 1995 У 61. Р 127-130

55 Danzebrink Н. и., \'?'ilkemng G , and Ohlsson О Near-field орtоеlееtгопiс deteetor prohes

Р 1071-1073

58.Oesterschulze Е , Georgieu G , MallerWiegand М , Vollkopf А , and Rudoli.' О ТгапsmJS­

Р 1538-1540.

61.Sanchez Е J, Nouotny L, and Xie Х. S Near-field fluoreseenee mieroseopy base(! оп

two-photon exeitation with meta1 tips // Phys Rev Lett. 1999 У 82 Р 4014-401i

62.Hartschuh А , Beuersluis М. R , Bouhelier А . and Novotny L Тip-enhance(1 optiea1 spee· troseopy // Phi1. Trans. R. Soe Lond. А. 2004 У 362 Р 807-819

63.Martin У С, Натаnn Н Р., and Wickraтasinghe Н К Strength оГ the eleetrie fiel(l JП

67. Beuersluis М R, Bouhelier А., and Nouotny А Continuum generation Ггот sing1e gol(l nanostruetures through near-field mediated intraband transitions / / Phys Rev В 2003 У 68 Р 115433

Глава 7

УПРАВЛЕНИЕ РАССТОЯНИЕМ МЕЖДУ ОБРАЗЦОМ

ИЗОНДОМ

воптической микроскопии ближнего поля локальный зонд должен быть рас­

положен в непосредственной близости от поверхности исследуемого образца Как правило, требуется расположить зонд на расстоянии, меньшем, чем размер попереч­

ной локализации поля и, следовательно, меньшем, чем получаемое пространственное

разрешение. Как и в других зондовых сканирующих методиках, для поддержания

в течение всего сканирующего процесса постоянного расстояния требуется наличие

активного контура обратной связи. Однако для реализации этого контура обратной связи необходимо, чтобы между оптическим зондом и образцом имело место суше­

ственно близкодействующее взаимодействие. Зависимость от расстояния для этого взаимодействия должна быть монотонной, для того чтобы каждой точке пространства

можно было поставить в соответствие единственное значение параметров Типичная блок-схема обратной связи, применяемая в зондовой сканирующей микроскопии. показана на рис. 7.1. Для преобразования электрического сигнала в смещение ис­

пользуется пьезоэлектрический элемент P(w), в то время как измерение взаимодей­ ствия I(w) ответственно за обратное преобразование. Для оптимизации скорости

срабатывания контура обратной связи и для поддержания устойчивости системы в соответствии со строго определенными правилами ее функционирования исполь­

зуется контроллер G(w). Как правило используется так называемый РI-контроллер.

сочетающий в себе пропорциональное усиление (Р) и интегрирующую плату (1)

Заданное-+

значение

Обратная связь

Рис 7.1 Типичная диаграмма контура обратной связи, используемого в сканирующей зон.lо­ вой микроскопии. В идеале измеряемый сигнал взаимодействия отвечает задаваемому извне значению Скорость и устойчивость контура обратной связи зависят от параметров I\OHTpO.l-

лера G(c.v)

На первый взгляд, кажется, что использование непосредственно оптического сигна­ ла (ближнего поля) в качестве пространственно-чувствительного сигнала для обратной связи является привлекательным решением. Однако оказывается, что, во-первых. из-за присутствия в образце неизвестных и неоднородных компонентов непредсказуемые из­

менения в распределении ближнего поля приводят к немонотонной зависимости сигна­

ла от расстояния. Такое поведение часто приводит к выходу зонда из строя. Во-вторых. сигнал ближнего поля очень часто невелик и смазан компонентами дальнего поля И, в-третьих, длина затухания ближних полей оптических зондов часто слишком

велика, чтобы служить надежным масштабом для измерения расстояний в нано­ метровом диапазоне. В силу этих причин для работы оптических зондов обычно необходимо устройство дополнительной пространственной обратной связи.

в стандартных сканирующих зондовых методиках обычно используются два раз­

.1ИЧНЫХ типа взаимодействия, а именно: туннелирование электронов (сканирующий

туннельный микроскоп, СТМ) [1]; нормальные и поперечные (к поверхности) силы взаИ~lOдействия (атомно-силовой микроскоп) [2]. Для туннелирования электронов необходим проводящий образец. Это является существенным ограничением, т. к.

покрывая образец металлическим слоем, мы сильно теряем в отнощении спектро­

скопических возможностей оптической микроскопии. Поэтому в оптической мик­ роскопии ближнего поля для контура обратной связи, как правило, используются б.1ИзкодеЙствующие силы. Ранее были разработаны некоторые зонды, использующие

кантилеверный принцип, что было привлекательным, т. к. позволяло использовать

стандартные коммерческие модули АСМ. Однако ради простоты и надежности уста­

новки наиболее широко для управления расстоянием между зондом и образцом в оп­

тике ближнего поля применяется измерение поперечных сил сдвига 1) или трения.

Прежде чем перейти к более детальному рассмотрению, необходимо сделать

важное замечание. Используемые для обратной связи в стандартных коммерческих \lOдулях АСМ- и СТМ-близкодействия являются также физическим параметром рассматриваемой задачи. Однако это не так в случае ближнепольной оптической

~IИКРОСКОПИИ со вспомогательной обратной связью. Использование вспомогательной обратной связи неизбежно несет в себе опасность внесения в оптический сигнал арте­ фактов. не связанных с оптическими свойствами исследуемого образца, а вызванных исключительно изменением расстояния между зондом и образцом, произошедшим

в результате действия обратной связи. Это становится особенно важным в том с.lучае, если вершина оптического зонда и силовой сенсор не совпадают. Указанные

проблемы и возможные их решения детально обсуждаются в последнем разделе этой

Г.lавы, а также в работах [3, 4].

7.1. Методы сил скольжения

Было установлено, что вибрация зонда в направлении, параллельном поверхности образца, вызвана близостью его к поверхности. Обычно зонд колеблется на резо­ нансной частоте своего механического держателя (вертикальной стойки, камертона),

а а~lПлитуда, фаза и/или частота колебаний измеряются как функции расстояния

~Iежду зондом и образцом. Диапазон взаимодействия простирается от 1 до 100 нм

В зависимости от класса зонда и особенностей конкретного прибора. Природа так называемых сил скольжения все еще обсуждается. Считалось, что силы скольжения

возникают при взаимодействии с окружающей средой, а именно с существующим

на поверхности образца слоем влаги. Однако измерение сил скольжения может быть проведено в высоком вакууме и даже при сверхнизкой температуре [5, 6], и это

заставляет нас искать более фундаментальные механизмы взаимодействия, такие как

э.lектромагнитное трение (см. разд. 14.3.2) [7]. Какой бы ни была природа этого

взаимодействия, зависящие от расстояния поперечные силы представляют собой идеальный сигнал обратной связи для удерживания оптического зонда в непосред­ ственной близости от поверхности исследуемого образца.

7.1.1. Оптическое волокно как резонирующий стержень. Простейшим

поперечно-силовым сенсором может служить колеблющийся стержень. Он пред­ ставляет собой небольшой зажатый кусок стеклянного волокна или металлического

стержня, на конце которого находится головка. Показанная на рис. 7.2 резонансная

1)Речь идет о силах, называемых «shear-force». В русском языке нет единого термина, это

и«С;IВиговые силы», и «силы скольжения», и «поперечные силы». В предметном указателе

01 .силы скольжения» - Примеч пер

Рис. 7.2 Схематическое изображение кварцевого стержня длины L, используемого для нахож­

дения резонансов осциллирующего волоконного зонда

частота стержня зависит квадратично от длины свободного конца L Такой закон

справедлив для любого вида консоли с одним закрепленным концом. Первая (и.1и

основная) резонансная частота осциллирующего стержня с круглым сечением рас-

считана в работе [8]: Л R

составляет около 150. Изменение длины в соответствии с (7 1) очень сильно В.lияет

на резонансную частоту.

Когда конец стержня начинает взаимодействовать с поверхностью, резонансная частота сдвигается, а амплитуда колебаний падает. Эта ситуация отражена на

рис. 7.3, а, 6 в случае стержня, частота вынуждающей силы для которого соответ­

ствует переменной "'"'.

Амплитуда и фаза колебаний стержня показаны для двух различных расстоя­

ний d между концом стержня и поверхностью образца. Величина сдвига СИ.1ЬНО

зависит от величины области взаимодействия, т. е. диаметра стержня На рис 73. в. г

показаны амплитудный и фазовый сдвиги соответственно как функции расстояния (/ для случая, когда стержень возбуждается на резонансной частоте w ="';0 Диапазон

изменения амплитуды и фазы зависит от диаметра стержня, т. е диаметра головки

в случае острого зонда ближнего поля. Благодаря монотонному характеру зависи­ мостей, показанных на рис. 7.3, а, 6, амплитуда и фаза хорошо подходят в качестве

сигналов для линии обратной связи. Обычно их детектирование проводится при

помощи синхронного усилителя. Позднее мы увидим, что для высокочувствительных приборов, требующих высокой добротности (узкие резонансы), предпочтительнее не возбуждать стержень на некоторой фиксированной частоте "'"', а использовать

автоколебательный контур, при помощи которого стержень будет колебаться на своей

резонансной частоте [9]. Как показано на рис. 7.3, а, 6, когда осциллирующий конец

приближается к поверхности образца, резонансная частота сдвигается, что позво­

ляет использовать сдвиг ~"'"' в качестве альтернативного сигнала обратной связи Следующей возможностью является использование в качестве сигнала обратной

связи ширины резонанса, что будет соответствовать работе в режиме неизменной

диссипации. Какой именно тип сигнала обратной связи необходимо использовать.

---

IДетекторI

Рис. 74 Различные способы непосредственного детектирования колебаний оптического ЗОН.1а

а - схема детектирования на отверстии: свет, излученный или рассеянный на зонде, фОК)­

сируется на отверстие. Измеряемый свет модулируется на частоте механических колебаний зонда; б - лазерная схема детектирования: излучение инфракрасного диодного лазера рассеи­ вается или преломляется волоконным зондом. Получающаяся в результате осциллируюшая интерференционная картинка направляется на фотодиод, в - дифференциальная интерфе­ рометрия с использованием призмы Волластона; г - интерферометрия с использование~1

волоконного оптического интерферометра

кварцевые или пьезокерамические сенсоры, доказавшие свою эффективность с точки

зрения чувствительности и простоты устройства.

7.1.2. Камертонные сенсоры. Использование оптических методов отслежива­

ния поперечных колебаний зонда очень неудобно тем, что оптические измерения

интерферируют с обычно слабым оптическим сигналом ближнего поля. Это стано­

вится особенно существенным в спектроскопических исследованиях или в случае

изучения фоточувствительных образцов. Таким образом, возникла необходимость

создания альтернативных методов детектирования, не связанных с использованиеl\l

света. Многие из них основаны на измерении изменений проводимости пьезоэлектри­

ческих приборов, связанных с изменением резонансного поведения, возникающего

при взаимодействии образца с самим пьезоэлектрическим прибором или с прикреп­ ленным к нему оптическим зондом. Пьезоэлемент может представлять собой как

пьезопластину [14], так и пьезотрубку [15]. Однако наиболее удачным и широко

распространенным методом измерения поперечных сил на сегодня является метод.

основанный на микромасштабных кварцевых камертонах [16], которые изначально

были разработаны для стандартов времени в кварцевых часах.

На рис. 7.5, а показана фотография типичного кварцевого камертона. Он состоит

из микротехнологически изготовленного кварцевого элемента в форме камертона, на

поверхности которого находятся два электрода. В основании камертона находится эпоксидный держатель (слева). Полная длина составляет около 5,87 мм. Ширина - около 1,38 мм, а толщина элемента равна 220 мкм.

Он имеет два электрических контакта, связанные с электродами камертонного элемента, как показано на рис. 7.5, б. При использовании в настенных и наручных

часах камертон помещается в металлическую капсулу для защиты от воздействий

внешней среды, таких как влажность. Если камертон используется в качестве дат­

чика сил скольжения, металлическая капсула должна быть устранена. Производятся

222 Гл 7. Управление расстоянием между образцом u зондом

что сам зонд не колеблется на частоте камертона, это позволяет избежать эффекта

связанных маятников. Следовательно, длина зонда, выступающая над поверхностью

камертона, должна быть как можно меньше. Для частоты колебаний камертона с прикрепленным стеклянным волоконным зондом:::::: 32 кГц, в соответствии с (7.1). длина выступающего конца должна быть меньше чем 2,3 мм.

7.1.3. Модель эффективного гармонического осциллятора. Для небольших

амплитуд x(t) вынуждающих колебаний камертона уравнение его движения И~lеет

вид уравнения эффективного гармонического осциллятора:

вынуждающая сила, например от внешнего возбужденного пьезоэлемента, раскачи­

вающего камертон. Параметр d задает расстояние от зонда до образца Для простоты

обозначений явная зависимость от величины d будет завуалирована. Стационарное решение (7.2) имеет вид

и амплитуда x(t) колебаний зависят от расстояния d между зондом и образцом (см

рис. 7.3, а). Добротность камертона составляет порядка 103-104 во внешней среде

и на несколько порядков величины больше в вакууме. Такая высокая добротность

обусловлена тем обстоятельством, что движения центра масс не происходит В то

время как одна ветвь камертона двигается влево, другая движется вправо, а центр

масс не сдвигается. Взаимодействие зонда с поверхностью образца связано с ДВУМЯ

силами: (1) диссипативной силой трения, за которую отвечает второе слагаемое в (7.2), (2) и реактивной силой упругости, входящей как третье слагаемое в (7.2). Мы

получим выражения для обеих сил и оценим их величину. Но сначала заметим. что

как постоянная затухания /" так и постоянная пружины k = 1ТI(.()б содержат в себе

два различных вклада: (1) статический, или внутренний, связанный с физическими

В соответствии со вторым слагаемым в (7.2) амплитуда величины силы, оБУС.10В-

ленной трением, имеет вид