RU2610351C2

RU2610351C2 - Method of measuring energy spectra of quasi-particles in condensed medium

Info

Publication number: RU2610351C2
Application number: RU2015128871A
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Петров; Рауф Загидович Бахтизин; Сергей Степанович Гоц
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2017-02-09
Also published as: RU2015128871A

Abstract

FIELD: physics, instrumentation technology.

SUBSTANCE: invention relates to probing spectroscopy, which is involved with the designing of devices and methods of investigating surface spectra with nano-resolution. Method of measuring energy spectra of quasi-particles in a condensed medium comprises exciting quasi-particles with the required properties, propagation, reflection, re-propagation of the reflected quasi-particles, detection of the reflected quasi-particles, processing of the obtained information and reconstruction of the quasi-particle spectrum in the investigated sample. Measurement can be carried out once or twice.

EFFECT: invention simplifies adjustment, improves stability of operation and reduces distortion.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения преимущественно к измерительной технике, и может быть использовано в цитологии, в биохимии для изучения распределения химического состава с нанометровым пространственным разрешением, для изучения термодинамических свойств материалов также с нанометровым разрешением.The invention relates to the field of instrumentation mainly to measuring equipment, and can be used in cytology, in biochemistry to study the distribution of chemical composition with nanometer spatial resolution, to study the thermodynamic properties of materials also with nanometer resolution.

Известен способ измерения собственных частот колебаний молекулы, заключающийся в том, что острие зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), подводится к поверхности и облучается светом лазера. Возбуждаемый при этом плазмон, благодаря соответствию его спектра спектру колебаний молекулы, в частности колебаний, отвечающим за рамановское излучение, позволяет судить о колебательном спектре молекулы, расположенной под острием зонда [R. Zhang, Y. Zhang, Z.С. Dong, S. Jiang, С. Zhang, L.G. Chen, L. Zhang, Y. Liao, J. Aizpurua, Y. Luo, J.L. Yang and J.G. Hou. Chemical mapping of a single molecule by plasmon-enhanced Raman scattering. Nature 498, 82-86 (06 June 2013)]. Точное соответствие плазмонного спектра и колебательного спектра молекулы достигается благодаря возможности точно изменять расстояние от острия зонда до поверхности.There is a method of measuring the natural vibrational frequencies of a molecule, which consists in the fact that the tip of the probe of a scanning tunneling microscope (STM) is brought to the surface and is irradiated with laser light. The plasmon excited in this case, due to the correspondence of its spectrum to the spectrum of the molecular vibrations, in particular the vibrations responsible for Raman radiation, allows one to judge the vibrational spectrum of the molecule located under the tip of the probe [R. Zhang, Y. Zhang, Z.S. Dong, S. Jiang, S. Zhang, L.G. Chen, L. Zhang, Y. Liao, J. Aizpurua, Y. Luo, J.L. Yang and J.G. Hou. Chemical mapping of a single molecule by plasmon-enhanced Raman scattering. Nature 498, 82-86 (06 June 2013)]. The exact correspondence of the plasmon spectrum and the vibrational spectrum of the molecule is achieved due to the ability to accurately change the distance from the tip of the probe to the surface.

К недостаткам такого способа исследования энергетических спектров элементарных возбуждений (квазичастиц) относятся:The disadvantages of this method of studying the energy spectra of elementary excitations (quasiparticles) include:

- исследуемый спектральный диапазон ограничен диапазоном возможных собственных частот возбуждаемого плазмона;- the studied spectral range is limited by the range of possible natural frequencies of the excited plasmon;

- можно изучать только те квазичастицы, которые напрямую или опосредованно взаимодействуют со светом;- it is possible to study only those quasiparticles that directly or indirectly interact with light;

- изучаемая молекула должна быть расположена на проводящей поверхности, что не всегда возможно по условиям постановки эксперимента.- the studied molecule should be located on a conducting surface, which is not always possible according to the conditions of the experiment.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения, включающий облучение лучом лазера острия иглы кантилевера атомно-силового микроскопа (АСМ). Далее, после отражения измеряется интенсивность и фаза отраженного света, таким образом можно получить значение комплексных оптических констант изучаемого материала с разрешением, определяемым радиусом острия иглы кантилевера [R. Hillenbrand and F. Keilmann. Complex Optical Constants on a Subwavelength Scale. Phys. Rev. Lett. 85, 3029; Fritz Keilmann, Rainer Hillenbrand. Near-field microscopy by elastic light scattering from a tip. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004, 362, 787-805]. Изменяя частоту падающего излучения, можно получать спектры поглощения электромагнитного излучения исследуемого материала, как следствие, можно получить спектры фононов, экситонов. Достоинством данного способа является возможность изменять частоту падающего электромагнитного излучения в очень широких пределах [A.J. Huber, F. Keilmann, J. Wittborn, J. Aizpurua and R. Hillenbrand. Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices. Nano Lett., 2008, 8 (11), pp. 3766-3770; Hongzhou Ma and Jeremy Levy. GHz Apertureless Near-Field Scanning Optical Microscopy of Ferroelectric Nanodomain Dynamics. Nano Lett., 2006, 6 (3), pp. 341-344].The closest analogue in technical essence and the achieved result is a measurement method, which involves irradiating the tip of a cantilever needle of an atomic force microscope (AFM) with a laser beam. Further, after reflection, the intensity and phase of the reflected light are measured, so that the value of the complex optical constants of the material under study can be obtained with a resolution determined by the radius of the tip of the cantilever needle [R. Hillenbrand and F. Keilmann. Complex Optical Constants on a Subwavelength Scale. Phys. Rev. Lett. 85, 3029; Fritz Keilmann, Rainer Hillenbrand. Near-field microscopy by elastic light scattering from a tip. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004, 362, 787-805]. By changing the frequency of the incident radiation, it is possible to obtain the absorption spectra of electromagnetic radiation of the material under study, as a result, it is possible to obtain the spectra of phonons, excitons. The advantage of this method is the ability to change the frequency of the incident electromagnetic radiation in a very wide range [A.J. Huber, F. Keilmann, J. Wittborn, J. Aizpurua and R. Hillenbrand. Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices. Nano Lett., 2008, 8 (11), pp. 3,766-3770; Hongzhou Ma and Jeremy Levy. GHz Apertureless Near-Field Scanning Optical Microscopy of Ferroelectric Nanodomain Dynamics. Nano Lett., 2006, 6 (3), pp. 341-344].

К недостаткам такого способа относятся:The disadvantages of this method include:

- относительная сложность получения высокого разрешения из-за концентрации ближнего поля снаружи зонда;- the relative complexity of obtaining high resolution due to the concentration of the near field outside the probe;

- можно изучать только те квазичастицы, которые напрямую или опосредованно взаимодействуют со светом.- it is possible to study only those quasiparticles that directly or indirectly interact with light.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в измерении энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде (фононов, плазмонов, магнонов, поляритонов и др.), при этом латеральное разрешение при измерениях определяется радиусом острия иглы кантилевера, снимается ограничение на способность квазичастиц взаимодействовать со светом, а также появляется возможность проводить анализ химического состава поверхности с латеральным разрешением порядка радиуса острия зонда кантилевера в случае, если речь идет о фононах, также путем расчета термодинамических функций появляется возможность изучать термодинамические свойства материалов.The technical result of the invention consists in measuring the energy spectra of quasiparticles in a condensed medium (phonons, plasmons, magnons, polaritons, etc.), while the lateral resolution in the measurements is determined by the radius of the tip of the cantilever needle, the restriction on the ability of quasiparticles to interact with light is removed, and also appears the ability to analyze the chemical composition of the surface with a lateral resolution of the order of the radius of the tip of the cantilever probe in the case of phonon x, and by calculating the thermodynamic functions it is possible to study the thermodynamic properties of the materials.

Указанный технический результат достигается тем, что способ измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде включает в себя возбуждение квазичастиц с нужными свойствами, распространение квазичастиц вдоль иглы кантилевера, отражение квазичастиц от границы раздела острие иглы кантилевера/поверхность образца или от границы раздела острие иглы кантилевера/окружающая среда, повторное распространение отраженных квазичастиц вдоль иглы кантилевера, регистрацию отраженных квазичастиц, обработку полученной информации и восстановление спектра квазичастиц в исследуемом образце. В процессе распространения потока квазичастиц вдоль иглы кантилевера, он ослабляется и рассеивается. Эти процессы могут быть учтены расчетом.The specified technical result is achieved by the fact that the method of measuring the energy spectra of quasiparticles in a condensed medium includes the excitation of quasiparticles with the desired properties, the propagation of quasiparticles along the cantilever needle, reflection of the quasiparticles from the cantilever needle tip / sample surface or from the cantilever needle tip / surrounding interface medium, redistribution of reflected quasiparticles along the cantilever needle, registration of reflected quasiparticles, processing of the obtained information tion and restoration of the spectrum of quasiparticles in the studied sample. In the process of propagation of the quasiparticle stream along the cantilever needle, it is weakened and scattered. These processes can be taken into account by calculation.

Измерение энергетических спектров квазичастиц можно производить в двух вариантах:The energy spectra of quasiparticles can be measured in two versions:

1) измерение производится при касании острием иглы кантилевера поверхности исследуемого образца. При этом происходит отражение части потока квазичастиц в иглу кантилевера, а часть потока квазичастиц рассеивается в образце. При обработке результатов измерения должно учитываться затухание потока квазичастиц в игле кантилевера;1) the measurement is made when the tip of the cantilever touches the surface of the test sample. In this case, a part of the quasiparticle stream is reflected into the cantilever needle, and a part of the quasiparticle stream is scattered in the sample. When processing the measurement results, the attenuation of the quasiparticle flux in the cantilever needle should be taken into account;

2) измерение производится дважды, первый раз при касании острием иглы кантилевера поверхности исследуемого образца, второй раз, когда острие иглы кантилевера не касается поверхности исследуемого образца. Зависимость отражательной способности поверхности от энергии квазичастиц находится путем сравнения результатов этих двух измерений.2) the measurement is performed twice, the first time when the tip of the cantilever needle touches the surface of the test sample, the second time when the tip of the cantilever needle does not touch the surface of the test sample. The dependence of the surface reflectivity on the energy of quasiparticles is found by comparing the results of these two measurements.

Термодинамические функции находятся расчетным путем с помощью суммирования экспоненциальных членов по известным формулам статистической физики, предполагая, что существенную часть энергетического спектра квазичастиц мы смогли измерить.The thermodynamic functions are calculated by summing the exponential terms using the well-known formulas of statistical physics, assuming that we were able to measure a significant part of the energy spectrum of quasiparticles.

Отличительным признаком предложенного способа является использование квазичастиц, распространяющихся вдоль иглы кантилевера и отражающихся от границы раздела острие зонда/исследуемая поверхность, для определения зависимости от энергии квазичастиц отражательной способности поверхности, по которой и рассчитывается энергетический спектр квазичастиц. Использование такого способа измерения позволяет повысить разрешение при измерении энергетических спектров, расширить возможности метода за счет более широкого выбора способов возбуждения квазичастиц и более точного их позиционирования на образце.A distinctive feature of the proposed method is the use of quasiparticles propagating along the cantilever needle and reflected from the tip of the probe / test surface to determine the dependence of the surface reflectivity on the quasiparticles, from which the energy spectrum of quasiparticles is calculated. The use of such a measurement method allows one to increase the resolution when measuring energy spectra, to expand the capabilities of the method due to a wider choice of methods for the excitation of quasiparticles and their more accurate positioning on the sample.

Также отличительной особенностью заявляемого способа является то, что энергетический спектр квазичастиц находится по результатам измерения зависимости величины отражательной способности поверхности от энергии падающих и отраженных для границы раздела острие иглы кантилевера/исследуемая поверхность.Also a distinctive feature of the proposed method is that the energy spectrum of the quasiparticles is found by measuring the dependence of the surface reflectivity on the energy of the cantilever’s needle tip / surface being examined and reflected for the interface.

Примеры технической реализации заявляемого метода.Examples of technical implementation of the proposed method.

Схема атомно-силового микроскопа (АСМ) для измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде изображена на рис. 1. Устройство включает кантилевер 1 с иглой 2 и острием 3, образец 4, систему 3D позиционирования 5, генератор квазичастиц 6, детектор квазичастиц 7.The scheme of an atomic force microscope (AFM) for measuring the energy spectra of quasiparticles in a condensed medium is shown in Fig. 1. The device includes a cantilever 1 with a needle 2 and a tip 3, sample 4, a 3D positioning system 5, a quasiparticle generator 6, a quasiparticle detector 7.

Способ измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде реализуется следующим образом (рис. 1). Генератор 6 излучает квазичастицы 8 с заданным энергетическим распределением в иглу 2 кантилевера 1, которые распространяются вдоль иглы к границе раздела острие зонда 3 кантилевера/поверхность исследуемого образца 4, частично отражаются от этой поверхности обратно в иглу 2, частично рассеиваются (10) в исследуемом образце 4. Отраженные квазичастицы 9 регистрируются детектором 7 и вычисляется ослабление потока квазичастиц, а также их энергетическое распределение. Ослабление потока квазичастиц и изменение их энергетического распределения зависит как от пути, пройденного квазичастицами вдоль иглы кантилевера, так и от величины отражательной способности границы раздела острие иглы кантилевера/поверхность и вида отражения - зеркальное или диффузное. Зависимость отражательной способности границы раздела острие иглы кантилевера/исследуемая поверхность от энергии квазичастиц изучается либо путем перестройки энергии излучаемых генератором квазичастиц, либо путем излучения генератором пучка частиц с широким спектром. Во втором случае для нахождения энергетического спектра квазичастиц необходимо использовать методы гармонического анализа.A method for measuring the energy spectra of quasiparticles in a condensed medium is implemented as follows (Fig. 1). The generator 6 emits quasiparticles 8 with a given energy distribution into the needle 2 of the cantilever 1, which propagate along the needle to the interface of the tip of the probe 3 of the cantilever / surface of the test sample 4, partially reflect from this surface back into the needle 2, partially scatter (10) in the test sample 4. The reflected quasiparticles 9 are recorded by the detector 7 and the attenuation of the flow of quasiparticles, as well as their energy distribution, is calculated. The weakening of the quasiparticle flux and the change in their energy distribution depends both on the path traveled by the quasiparticles along the cantilever needle and on the reflectivity of the cantilever needle tip / surface interface and the type of reflection - mirror or diffuse. The dependence of the reflectivity of the cantilever needle tip / test surface interface on the energy of the quasiparticles is studied either by tuning the energy of the quasiparticles emitted by the generator, or by emitting a wide spectrum of a particle beam from the generator. In the second case, to find the energy spectrum of quasiparticles, it is necessary to use harmonic analysis methods.

В случае, когда измерения проводятся дважды (рис. 1, 2) - в контакте с поверхностью и без контакта с ней, энергетический спектр квазичастиц в исследуемом образце может быть найден с помощью сравнения измеренных спектров квазичастиц для случаев в контакте и без контакта с поверхностью по появлению новых пиков в спектре затухания. Кроме того, при этом используется дифференциальный метод измерений, поскольку находится разность измерений в первом и втором случаях, что позволяет компенсировать многие внешние факторы, влияющие на погрешность.In the case when measurements are performed twice (Figs. 1, 2) —in contact with and without contact with the surface, the energy spectrum of quasiparticles in the test sample can be found by comparing the measured spectra of quasiparticles for cases in contact and without contact with the surface the appearance of new peaks in the attenuation spectrum. In addition, the differential measurement method is used, since the measurement difference is found in the first and second cases, which allows you to compensate for many external factors that affect the error.

Измерение энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде с помощью зондовых микроскопов позволяет решить многие актуальные вопросы физики конденсированных сред, молекулярной биологии, в частности такие вопросы, как исследование химического состава поверхности с нанометровым разрешением, изучение термодинамических свойств образцов с нанометровым разрешением, исследование кинетики физических процессов.Measurement of the energy spectra of quasiparticles in a condensed medium using probe microscopes allows one to solve many pressing problems in condensed matter physics, molecular biology, in particular, such issues as studying the chemical composition of surfaces with nanometer resolution, studying the thermodynamic properties of samples with nanometer resolution, and studying the kinetics of physical processes.

Claims

1. A method of measuring the energy spectra of quasiparticles in a condensed medium, including excitation of quasiparticles with the desired properties, propagation, reflection, redistribution of reflected quasiparticles, registration of reflected quasiparticles, processing of the obtained information and restoration of the spectrum of quasiparticles in the test sample, characterized in that the measurement is performed once the propagation and re-distribution of the reflected quasiparticles occurs along the cantilever needle, the reflection of quasiparticles produces The edge of the cantilever needle / surface of the sample is separated from the interface, while the attenuation of the quasiparticle flux in the cantilever needle is taken into account by the calculation.

2. A method of measuring the energy spectra of quasiparticles in a condensed medium, including excitation of quasiparticles with the desired properties, propagation, reflection, re-distribution of reflected quasiparticles, registration of reflected quasiparticles, processing of the obtained information and restoration of the spectrum of quasiparticles in the sample under study, characterized in that the measurement is performed twice, the propagation and re-propagation of the reflected quasiparticles occurs along the cantilever needle, in the first measurement of reflection quasiparticles are produced from the interface between the tip of the cantilever needle / surface of the sample, during the second measurement, the reflection of quasiparticles is made from the interface between the tip of the cantilever needle / environment, and the dependence of the reflectivity of the surface on the energy of the quasiparticles is found by comparing the results of these two measurements, taking into account losses during the propagation of quasiparticles in the cantilever needle.