Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия

Разрешение обычных оптических микроскопов ограничено дифракцией света, что не позволяет «рассмотреть» детали объектов, размеры которых соизмеримы с половиной длины волны используемого излучения. Поэтому использовать такие микроскопы для исследования нанообъектов не представляется возможным. В ближнепольной сканирующей оптической микроскопии используются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть ограничения, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне менее 10 нм.

Принцип действия ближнепольного сканирующего оптического микроскопа (БСОМ) поясняет рис. 1.48. Излучение от источника света падает на объект, пройдя через малое отверстие в диафрагме (рис. 1.48а). Размеры отверстия существенно меньше длины волны используемого излучения. В соответствии с законами волновой оптики, свет проникает в такое маленькое отверстие, но не далеко, а на расстояние, сопоставимое с размерами отверстия. Если в пределах этого расстояния, в так называемом «ближнем поле», поставить объект, то рассеянный или прошедший через него свет можно зарегистрировать фотодетектором. Перемещая диафрагму в непосредственной близости от объекта и поддерживая зазор между ними постоянным, можно получить растровое изображение поверхности. Контраст на БСОМ-изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств объекта. Аналогичная возможность реализуется, когда объект освещается сравнительно широким пучком, а прошедший световой поток воспринимается фотодетектором через диафрагму с отверстием малого диаметра (рис. 1.48б). Сканирование можно осуществлять также перемещением объекта относительно диафрагмы.

Уникальность ближнепольной сканирующей оптической микроскопии по сравнению с другими сканирующими методами состоит в том, что изображение строится непосредственно в оптическом диапазоне, однако разрешение многократно превышает разрешение традиционных оптических систем. Оно определяется не длиной волны используемого излучения, а диаметром отверстия в диафрагме (апертурой диафрагмы). Апертура (apertura – отверстие) в оптике – это характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет. Часто под ней понимают размеры входных линз или диафрагм оптического прибора.

а)

б)

Рис. 1.48. Принцип действия ближнепольного сканирующего микроскопа (пояснения в тексте)

Идея БСОМ была предложена еще в 1928 году Е. Сингом, но она намного опередила технические возможности своего времени и осталась практически не замеченной. Ее практическое применение критически зависело от возможности управления зондом с нанометровой точностью, а также наличия средств детектирования малых интенсивностей света, вплоть до единичных фотонов. Все это стало возможным после создания сканирующих туннельных микроскопов (СТМ). В начале 80-х годов сотрудники Цюрихской лаборатории фирмы IBM, где был создан первый СТМ, смогли реализовать идею БСОМ и получить разрешение на уровне λ/20.

Согласно волновой теории света электромагнитное поле вблизи отверстия в диафрагме имеет сложную структуру. Непосредственно за отверстием на расстоянии Z < 100∙а (а – диаметр отверстия) располагается так называемая «ближняя зона», в которой электромагнитное поле существует, в основном, в виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы (рис. 1.49а). Как видно из рис. 1.49б, интенсивность света на расстоянии Z = а уменьшается примерно на порядок, а на расстоянии Z = 10∙а – примерно на 5 порядков. Это указывает на важность поддержания постоянным зазора между диафрагмой и объектом, а также на необходимость регистрации исключительно малых оптических мощностей. Поэтому при выборе размера отверстия в диафрагме приходится искать компромисс между желаемым разрешением и допустимым уровнем сигнал/шум. Обычно диаметр отверстия составляет величину порядка 50 нм.

а) б)

Рис. 1.49. Распределение электромагнитного поля в «ближней зоне» (а) и зависимость

интенсивности света от расстояния до диафрагмы (б)

В отличие от туннельного и атомно-силового микроскопов, сразу завоевавших признание, БСОМ некоторое время оставался в тени. Уникальные возможности БСОМ были убедительно продемонстрированы лишь в начале 90-х годов, когда удалось решить две важные технические проблемы, а именно, существенно повысить энергетическую эффективность зондов и обеспечить надежный контроль расстояния между острием и объектом.

В современных микроскопах используются несколько конструктивных схем БСОМ. Основные из них схематично показаны на рис. 1.50. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазера локализуется в пространстве с помощью специального зонда, созданного на основе заостренного оптоволокна, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла. Такая схема позволяет получить максимальную мощность излучения в области субволнового отверстия и проводить исследование образцов как на отражение (рис. 1.50а), так и на просвет (рис. 1.50б). Для увеличения чувствительности излучение, отраженное от образца или прошедшее сквозь образец, собирается на фотоприемнике с помощью фокусирующего зеркала или линзы. Возможен также вариант, в котором облучение объекта и прием ближнепольного излучения осуществляются через один и тот же оптоволоконный зонд микроскопа.

Рис. 1.50. Различные конструктивные схемы БСОМ

В экспериментах, где требуются высокие уровни оптической накачки (как, например, при исследовании локальных нелинейных свойств объектов), реализуется схема, в которой мощное лазерное излучение направляется на исследуемую структуру, а прием осуществляется с помощью оптоволоконного зонда (рис. 1.50в и 1.50г).

В зависимости от наличия или отсутствия диафрагмы на конце зонда все БСОМ можно разбить на две основные группы: апертурные и безапертурные. Принцип действия апертурных БСОМ, составляющих преобладающее большинство современных приборов, поясняет приведенная на рис. 1.51 блок-схема микроскопа.

Рис. 1.51. Схема БСОМ: 1- микрообъектив, работающий в отраженном свете; 2 – микрообъектив, работающий в проходящем свете; 3 – пьезоманипулятор для перемещения зонда

Луч лазера (обычно гелий-неонового или аргонового) через согласующий элемент попадает в заостренное металлизированное оптоволокно и на выходе сужается до размеров, меньших длины волны излучения лазера. Взаимное перемещение острия и образца в трех измерениях x, y, z осуществляется с помощью пьезоманипуляторов. Прошедшие через образец или отраженные и рассеянные фотоны улавливаются одним из микрообъективов (1 и 2) и направляются в регистрирующий прибор, обычно – фотоэлектронный умножитель ФЭУ.

Приведенная на рис. 1.51 схема относится к приборам, работающим в режиме освещения (illumination mode). Широко распространены приборы, работающие в режиме сбора фотонов (collection mode), когда зонд переносит фотоны от образца, освещенного, например, через микрообъектив, к детектору. В комбинированном режиме (освещение и сбор) зонд выполняет одновременно обе функции.

Чтобы установить острие на нужной высоте над образцом, во всех сканирующих зондовых микроскопах используют зависимость величины регистрируемого сигнала I от расстояния z. В большинстве типов БСОМ зависимость I(z) неоднозначна, поскольку наряду с ближнепольным сигналом I₁ регистрируется также периодически изменяющийся с z сигнал I₂, вызванный интерференцией падающей и отраженной от образца волны. Это затрудняет или делает полностью невозможным надежный контроль z по величине I = I₁ + I₂ при сближении острия с образцом.

Лучшим решением проблемы является введение в БСОМ вспомогательных узлов, позволяющих им осуществлять также функции СТМ или АСМ, в которых определение z не вызывает существенных трудностей. В таких комбинированных приборах запись изображения осуществляется одновременно по двум каналам, один из которых воспроизводит рельеф поверхности, а другой – локальное распределение показателя преломления в тончайшем приповерхностном слое. Возможность различения оптического и топографического контрастов существенно упрощает интерпретацию изображения. В качестве примера на рис. 1.52 приведены изображения тестовой ванадиевой решетки, полученные с помощью БСОМ и АСМ.

а)

б)

Рис. 1.52. Изображения тестовой ванадиевой решетки, полученные с помощью БСОМ (а)

и АСМ (б) (размер скана 50×15 мкм²)