ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 68-76
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 535-7
РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ БЛИЖНЕПОЛЬНОГО ТЕРАГЕРЦОВОГО СКАНИРУЮЩЕГО ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА С БЛОКОМ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
© 2014 г. В. П. Барсуков*, **, А. Г. Верхогляд*, В. В. Герасимов**, ***, И. С. Глебус*, **, М. А. Завьялова*, **, Б. А. Князев**, ***, С. Н. Макаров*, **, М. Ф. Ступак*, **, В. К. Овчар**, ***, Д. Г. Родионов**, ***, ****, Ю. Ю. Чопорова**, ***, В. Ю. Штатнов*, **
*Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН Россия, 630058, Новосибирск, ул. Русская, 41 **Новосибирский государственный университет Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2 E-mail: einy@ngs.ru ***Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11 ****Новосибирский государственный технический университет Россия, 630073, Новосибирск, просп. К. Маркса, 20 Поступила в редакцию 01.10.2013 г. После доработки 26.11.2013 г.
Разработан и изготовлен ближнепольный терагерцовый сканирующий оптический микроскоп с блоком нарушенного полного внутреннего отражения и лазером на свободных электронах в качестве источника излучения. Созданы и испытаны сканирующая система с позиционированием с помощью конфокального датчика с хроматическим кодированием и датчик касания поверхности субволновым зондом. В датчике касания реализован новый метод определения расстояния между зондом и проводящей поверхностью по току коронного разряда. Для работы с импульсным излучением Новосибирского терагерцового лазера на свободных электронах разработана специализированная система синхронного детектирования рассеянного зондом излучения, включающая сверхпроводящий болометр на горячих электронах и электронную схему накопления сигнала. Проведены испытания всех элементов микроскопа, показавшие их работоспособность. Начаты эксперименты по регистрации рассеянного зондом микроскопа терагерцового излучения.
DOI: 10.7868/S0032816214040144
1. ВВЕДЕНИЕ
Сканирующая ближнепольная микроскопия является одним из самых мощных средств исследования материалов, позволяющим преодолеть дифракционный предел разрешения. Идея создания сканирующего субволнового микроскопа с использованием малого отверстия была предложена еще в 1928 году [1] и реализована впервые в работе [2] на длине волны 3 см с разрешением Х/60. Впоследствии были предложены другие варианты субволновых оптических микроскопов, в том числе с использованием заостренных металлических зондов (см., например, [3, 4]). Популярной конфигурацией, в частности, является вариант с возбуждением поверхностных плазмонов в конфигурации Кречмана [5]. Одним из важных преимуществ оптической микроскопии с металлическим зондом (см. [6]) по сравнению с атомной силовой микроскопией является то, что зонд перемещается не в непосредственной близости от
поверхности, где велика сила взаимодействия между зондом и веществом, а на некотором расстоянии, что делает сканирующую ближнеполь-ную оптическую микроскопию невозмущающим методом исследований.
В последнее десятилетие значительные успехи были достигнуты в продвижении ближнепольной оптической микроскопии в область терагерцовых частот [7]. В частности, в работе [8] было достигнуто пространственное разрешение Х/3000 при длине волны X = 118 мкм (/ = 2.57 ТГц). Большинство работ в этом диапазоне, однако, были выполнены с использованием маломощных широкополосных источников терагерцового излучения (см., например, [9]). В качестве примера приведем единственную известную нам российскую работу [10]. Очевидно, что сканирующий оптический ближнеполь-ный микроскоп (с.б.о.м.) с лазерным источником имеет ряд преимуществ, но развитие этого направления сдерживается узкими диапазонами генера-
ции обычных лазеров. В данной работе мы описываем устройство и составные части субволнового сканирующего оптического микроскопа, созданного нами для работы с использованием в качестве источника излучения Новосибирского лазера на свободных электронах, генерирующего монохроматическое излучение, перестраиваемое в широком диапазоне инфракрасного и дальнего инфракрасного диапазонов [11].
Важными особенностями любого субволнового микроскопа являются способ ввода в рабочую область пробного излучения и способ регистрации рассеянного излучения. Для образцов, поверхность которых достаточно хорошо отражает терагерцовое излучение, обычно используют схему, в которой объект и близко расположенный проводящий зонд освещаются сбоку под углом к плоскости образца сфокусированным излучением [10]. В данной схеме ближнее поле формируется системой зонд—объект, а рассеянное зондом излучение регистрируется на фоне основного отраженного излучения. Другим вариантом с.б.о.м. является схема с нарушенным полным внутренним отражением (н.п.в.о.) [12]. При такой конфигурации устройства на верхнюю, рабочую, поверхность призмы попадает только эванесцентная волна, рассеяние которой при взаимодействии с острием и исследуемым объектом регистрируется в дальнем поле в верхней полусфере. В этом случае зонд не участвует в формировании "ближнего поля", что существенно упрощает задачу получения информации о свойствах исследуемого объекта [12], к тому же отсутствуют помехи от отраженного излучения. Насколько нам известно, в литературе отсутствуют работы по терагерцовой ближнеполь-ной микроскопии в геометрии н.п.в.о.
Ввиду вышеперечисленных достоинств метода н.п.в.о. и опыта работы с изображающим терагер-
цовым спектрометром н.п.в.о. на основе кремниевой призмы [13—15], схема с н.п.в.о. была выбрана нами за основу при создании с.б.о.м. [16]. Дополнительным достоинством данной конфигурации является также то, что при желании она может быть модифицирована в систему с генерацией поверхностных плазмон-полярито-нов по методу Кречмана [17, 18].
2. СХЕМА БЛИЖНЕПОЛЬНОГО
ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА
Схема собранного ближнепольного микроскопа показана на рис. 1. Источником терагерцового излучения служит Новосибирский лазер на свободных электронах (н.л.с.э.) [19]. Его излучение представляет собой последовательность 100-пс импульсов, следующих с частотой повторения 5.6 МГц. Пучок имеет гауссову форму (радиус 9 мм) и линейно поляризован. Излучение н.л.с.э. — монохроматическое с относительной спектральной шириной 0.3—1% и может плавно перестраиваться по длине волны в диапазонах 120—240 и 20—100 мкм. В дальнейшем с запуском следующей очереди лазера этот диапазон будет расширен в область 5—20 мкм. Средняя мощность излучения на рабочей станции в стандартных режимах обычно составляет 10—100 Вт.
Излучение н.л.с.э. фокусируется с помощью линзы из полиметилпентена (ТРХ) с фокусным расстоянием /1 = 150 мм на поверхность кремниевой призмы с образцом. В область эванесцентной волны с помощью системы позиционирования, которая является частью сканирующей системы, вводится металлический зонд. При длине волны 140 мкм глубина проникновения эванесцентной волны в воздух составляет 10—20 мкм [13], а значит, размер исследуемых объектов может варьиро-
Рабочая поверхность
Поглотитель
Сменные призмы Линза
Рис. 2. Схема модуля нарушенного полного внутреннего отражения со сменными призмами из кремния низкой проводимости с углами при вершине у = 90° (внизу) и 46° и рабочей поверхностью 40 х 20 мм; зонд подводится к области фокусировки (белая точка в виде эллипса) сверху.
ваться от величины, равной диаметру кончика зонда, до ~10 мкм. Субволновой зонд в виде вольфрамовой иглы с диаметром кончика d = 0.1—1 мкм рассеивает излучение, которое собирается с помощью второй линзы с f = 50 мм. Диаметр линзы равен 50 мм, что позволяет захватить значительную часть рассеянной волны. Далее с помощью системы сбора и вывода рассеянного излучения пучок направляется на вход детектирующей системы. Модуль н.п.в.о. и сканирующая система расположены на виброизолирующей платформе с пневматическим подавлением колебаний (модель Newport M-BT-2024-0PT 02 BenchTop™).
Размер освещаемой лазером внутренней поверхности призмы ограничен дифракционным пределом и равен ~1 мм, что значительно превышает диаметр зонда, поэтому мощность рассеянного излучения будет очень мала. Для увеличения мощности полезного сигнала создана система синхронного детектирования рассеянного излучения, модулированного с помощью механических колебаний кончика зонда. Далее описаны основные элементы субволнового микроскопа.
3. МОДУЛЬ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО
ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
Модуль нарушенного полного внутреннего от-
ражения содержит две сменные призмы из крем-
ния низкой проводимости с углами при вершине
Y = 90° и 46° (см. рис. 2). Излучение л.с.э. падает на
входную грань призм вдоль оптической оси, па-
раллельной верхней (рабочей) поверхности, тогда
соответствующие углы полного внутреннего отра-
жения 90 для призм равны 57° и 74°. Размер рабо-
чей грани призмы, на которой при необходимости
могут устанавливаться сменные кюветы, составля-
ет 40 х 20 мм. Выходящее из призмы лазерное из-
лучение поглощается системой поглотителей.
Для исследования с помощью с.б.о.м. в каче-
стве объектов могут использоваться тонкие полу-
проводниковые или диэлектрические пленки,
Рис. 3. Ближнепольная сканирующая приставка. 1 — оптический конфокальный датчик; 2 — ХЖ-позици-онирующая платформа; 3 — субволновой зонд; 4 — н.п.в.о.-элемент; 5 — проецирующая оптика; 6 — датчик касания.
прозрачные в терагерцовом диапазоне (кремний, полиэтилен и др.). Толщина пленки не должна превышать глубины проникновения эванесцент-ного поля над поверхностью призмы, которая в нашем случае составляет 20—60 мкм. Величина рассеянного зондом излучения в ближнем поле зависит от диэлектрических свойств образца, которые в свою очередь определяются его проводимостью, наличием примесей и т.д. Таким образом, с помощью ближнепольного микроскопа можно исследовать материалы и примеси (например, в полупроводниках [20, 21], полимерных пленках [22]), а также распределение свободных зарядов с концентрацией 1016—1019 см-3 [8, 10], при которой плазменная частота колебаний лежит в терагер-цовом диапазоне частот.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.