RU2663266C1 - Зонд ближнепольного микроскопа - Google Patents
Зонд ближнепольного микроскопа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2663266C1 RU2663266C1 RU2017109738A RU2017109738A RU2663266C1 RU 2663266 C1 RU2663266 C1 RU 2663266C1 RU 2017109738 A RU2017109738 A RU 2017109738A RU 2017109738 A RU2017109738 A RU 2017109738A RU 2663266 C1 RU2663266 C1 RU 2663266C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- probe
- optical
- electromagnetic wave
- cone
- Prior art date
Links
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 title 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 45
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 21
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 abstract description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 8
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 7
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 5
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 5
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000002500 effect on skin Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- KTQJVAJLJZIKKD-UHFFFAOYSA-N n-[2-(1h-indol-3-yl)ethyl]-n-methylpropan-2-amine Chemical compound C1=CC=C2C(CCN(C)C(C)C)=CNC2=C1 KTQJVAJLJZIKKD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/08—Probe characteristics
- G01Q70/10—Shape or taper
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может быть использовано при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений и т.д. Зонд ближнепольного микроскопа выполнен в виде отрезка световода с заостренным конусообразным концом с нанесенными на наружные поверхности конуса по крайней мере двумя электропроводящими элементами с диэлектрическим промежутком между ними. На вершине конуса между электропроводящими элементами в области расположения безизлучательных электромагнитных мод размещено средство оптического согласования. Средство для оптического согласования может быть выполнено в виде квантовых точек с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод, или в виде интегрально-оптического резонатора с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. Технический результат - повышение пространственной разрешающей способности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может быть использовано при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений и т.д.
Известен зонд ближнепольного микроскопа, представляющий заостренный отрезок оптоволокна (Миронов В.Л. Основы сканирующий зондовой микроскопии, Нижний Новгород, 2004, стр. 106 [1]).
Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность. Повышение локализации электромагнитных волн оптического диапазона распространяющихся по диэлектрическому волноводу (световоду) производится сужением поперечных размеров. Однако сужение размеров диэлектрического волновода до размеров соразмеримых и меньших длины электромагнитной волны приводит к потерям оптического излучения за счет обратного отражения, а также высвечиванию в окружающее пространство.
Известен зонд ближнепольного микроскопа, представляющий заостренный отрезок оптоволокна, внешняя поверхность которого покрыта металлом (Е.Г. Дедкова, А.А Чуприк и др. Приборы и методы зондовой микроскопии. Учебное пособие, МФТИ, 2011, с. 123 [2]). Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность. Это обусловлено тем, что устройство характеризуется значительным затуханием светового излучения проходящего через отверстие к исследуемому образцу и обратно. Сплошная металлизация диэлектрического световода конусообразной формы создает структуру поля соответствующего структуре поля запредельного волновода, при котором большая часть излучения отражается, не доходя до вершины конической части световода. В данном режиме многократно уменьшается мощность излучения доходящего до конца, что уменьшает чувствительность и соответственно пространственную разрешающую способность.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является зонд микроскопа с полем излучения в ближней зоне, который выполнен в виде конической трубки из диэлектрического материала или волоконно-оптического элемента с частично металлизированными боковыми поверхностями. Для металлизации указанных поверхностей используются две полоски из непрозрачного электропроводящего материала, разделенные изоляционным материалом, которые суживаются по направлению к острию зонда и расположены друг против друга. Полоски обрываются при вершине конического элемента зонда, в результате чего формируется зона взаимодействия зонда с анализируемым объектом (UA 67835 [3])
Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность. Это объясняется тем, что в известном устройстве значительная часть электромагнитного излучения отражается при распространении мимо пространственных неоднородностей, характеризующихся резким изменением волнового сопротивления. Изменение волнового сопротивления происходит из-за расположения на пути электромагнитной волны проводящих областей вместо ранее диэлектрических (и наоборот), резкого изменения диаметра и направления распространения, изменения проводимости и диэлектрической проницаемости.
Заявляемый зонд ближнепольного микроскопа направлен на повышение разрешающей способности.
Указанный результат достигается тем, что зонд ближнепольного микроскопа выполнен в виде отрезка световода с заостренным конусообразным концом с нанесенными на наружные поверхности конуса по крайней мере двумя электропроводящими элементами с диэлектрическим промежутком между ними. При этом на вершине конуса между электропроводящими элементами в области расположения безизлучательных электромагнитных мод размещено средство оптического согласования.
Указанный результат достигается также тем, что средство для оптического согласования выполнено в виде квантовых точек с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.
Указанный результат достигается также тем, что средство оптического согласования выполнено в виде интегрально-оптического резонатора с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.
Отличительными признаками заявляемого зонда являются:
- на вершине конуса между электропроводящими элементами в области расположения безизлучательных электромагнитных мод размещено средство оптического согласования;
- средство для оптического согласования выполнено в виде квантовых точек с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод;
- средство оптического согласования выполнено в виде интегрально-оптического резонатора с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.
Размещение на вершине конуса между электропроводящими элементами в области расположения безизлучательных электромагнитных мод средства оптического согласования позволяет существенно повысить разрешающую способность микроскопа, использующего предложенный зонд. Это объясняется тем, что структуру электромагнитного поля в пространстве за вершиной конуса можно представить в виде совокупности различных пространственных структур (мод). Один из типов мод - безизлучательный (связанный, не излучающий) в открытое пространство за вершиной зонда. Оптическое согласующее устройство оптимальным способом трансформирует энергию приходящего электромагнитного излучения в энергию безизлучательных (за вершиной конуса) колебаний электромагнитного поля данного типа. В то же время при отражении безизлучательных колебаний от исследуемой поверхности их энергия эффективно преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, передающихся в обратном направлении по световоду. При приближении оптического согласующего устройства к исследуемой поверхности происходит изменение структуры электромагнитного поля, что сопровождается изменением величины мощности отраженного электромагнитного поля, распространению в обратном направлении по световоду, что и позволяет существенно повысить разрешающую способность микроскопа, использующего предложенный зонд. Средство оптического согласования в самом общем случае представляет собой устройство, в котором электромагнитные волны, пришедшие по коническому волноводу, передаются за вершину зонда в область расположения безизлучательных электромагнитных мод и, отразившись от исследуемой поверхности, возвращаются в обратном направлении по световоду. Средство оптического согласования, как правило, работает на частоте излучения, вводимого в световод, и оптимально трансформирует структуру поля, распространяющегося между электродами конического световода, в структуру поля безизлучательных электромагнитных мод за ним.
При изменении расстояния между средством оптического согласования и исследуемой поверхностью в большую сторону изменяется величина мощности отраженного от исследуемой поверхности излучения и возвращаемой по световоду в обратную сторону.
Средство для оптического согласования может быть выполнено в виде квантовых точек с частотой спектра поглощения, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. Квантовая точка характеризуется тем, что ее резонансная частота, на которой наиболее сильно отражается электромагнитное излучение, зависит не только от ее состава и ее размеров, но и от ее расстояния до исследуемой поверхности. Геометрические размеры квантовой точки составляют единицы нанометров, а расстояние до исследуемой поверхности находится в диапазоне единиц и долей нанометра. Изменение резонансной частоты при изменении расстояния до исследуемой поверхности приводит к значительному изменению мощности отраженного излучения, многократно превосходящего по изменению мощности излучения в зонде ближнепольного микроскопа по сравнению с зондом без средства оптического согласования.
Средство для оптического согласования может быть выполнено и виде интегрально- оптического резонатора с резонансной, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. В этом случае резонатор локализует пространственное распределение электромагнитного поля до минимальных размеров, определяемых размерами скин-слоя в проводнике, а также размерами индуктивных и емкостных элементов с сосредоточенными постоянными. Величина локализации за счет развитой формы индуктивных и емкостных элементов, образующих метаматериал с пространственным распределением показателя преломления как положительной, так и отрицательной величины, превосходит локализацию, ограничиваемую только величиной скин-эффекта, и составляет единицы и доли нанометра. Резонансная частота интегрально оптического резонатора зависит также от расстояния интегрально оптического резонатора до исследуемой поверхности. При изменении расстояния от интегрально-оптического резонатора до исследуемой поверхности происходит изменение частоты резонатора, что приводит к изменению величины мощности отраженного электромагнитного излучения, многократно превосходящей мощность отражаемой от вершины конусного элемента без оптического согласующего устройства.
Сущность заявляемого зонда поясняется примерами реализации и чертежами.
На фиг. 1 представлен схематически вариант реализации зонда с использованием средства для оптического согласования в виде квантовых точек с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. На фиг. 2 представлен схематически вариант реализации зонда с использованием средства для оптического согласования в виде интегрально-оптического резонатора с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.
Пример 1. В первом варианте реализации зонд выполнен в виде отрезка оптоволокна, содержащего оболочку 1, сердечник 2 с заостренным конусообразным концом 3 с нанесенными на наружные поверхности конуса по крайней мере двумя электропроводящими элементами 4 и 5 с диэлектрическими промежутками между ними. В диэлектрическом промежутке размещена квантовая точка 6 с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. Например, при использовании лазера с длиной волны 540 нм квантовые точки могут быть выполнены из золота. Зонд функционирует следующим образом.
Вводимое в световод излучение от когерентного источника распространяется по сердечнику 2 диэлектрического световода расположенного в оболочке 1 с трансформацией электромагнитного поля оптического диапазона диэлектрического световода в электромагнитную волну металло-оптического волновода, состоящего из сегментов проводящего покрытия 4 и 5. Структура электромагнитной волны металло-оптического световода соответствует структуре волны двухпроводной линии электропередачи. Важнейшей особенностью электромагнитных волноводов с двумя и более электродами является отсутствие частоты отсечки, начиная с которой электромагнитный волновод становится запредельным. В результате отсутствия частоты отсечки возможно сжатие пространственного распределения электромагнитных волн в широком диапазоне частот вплоть до постоянного напряжения. Трансформация осуществляется в плавных переходах, в которых изменение величины волнового сопротивления составляет доли процента на длине равной длине волны используемого излучения. Применение плавных переходов уменьшает потери излучения за счет обратного рассеяния, что увеличивает мощность излучения на вершине зонда, повышает отношение сигнал/шум и пространственную разрешающую способность соответственно. Расположение на вершине конуса световода квантовой точки, резонансно поглощающей оптическое излучение, приводит к увеличению показателя преломления в межэлектродном пространстве, что приводит к повышению локализации пространственного распределения оптического излучения. Далее электромагнитная волна, распространявшаяся по металло-оптическому световоду, достигает вершины конусообразного сердечника световода и частично распределяется в пространстве далее вершины электропроводящих элементов 4 и 5 и квантовой точки 6. При подведении квантовой точки 6 зонда к исследуемому объекту происходит частичное отражение электромагнитной волны в обратном направлении, включая обратное прохождение по диэлектрическому световоду.
Пример 2. Во втором варианте реализации зонд выполнен в виде отрезка оптоволокна, содержащего оболочку 1, сердечник 2 с заостренным конусообразным концом 3 с нанесенными на наружные поверхности конуса по крайней мере двумя электропроводящими элементами 4 и 5 с диэлектрическими промежутками между ними. В диэлектрических промежутках размещен интегрально-оптический резонатор 7 с частотой спектра поглощения, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод. Например, при использовании лазера с длиной волны 0,85 мкм интегрально-оптический резонатор может быть выполнен из алюминия в виде индуктивной и емкостной секций, размеры которой многократно меньше длины волны применяемого излучения.
Зонд функционирует следующим образом. В ближнепольном микроскопе оптическое излучение вводится в оптический световод зонда, распространяется до вершины световода 3 и частично распределяется в пространстве далее вершины электропроводящих элементов. При этом вводимое в световод излучение от когерентного источника распространяется по сердечнику 2 диэлектрического световода с трансформацией электромагнитного поля оптического диапазона диэлектрического световода в электромагнитную волну металло-оптического волновода. Далее электромагнитная волна, распространявшаяся по металло-оптическому световоду, достигает вершины конусообразного сердечника световода и частично распределяется в пространстве далее вершины электропроводящих элементов 4 и 5 и интегрально-оптического резонатора 7. Расположение на вершине конуса световода интегрально-оптического резонатора, резонансно поглощающего оптическое излучение, приводит к увеличению показателя преломления в межэлектродном пространстве, что повышает локализацию пространственного распределения оптического излучения. При подведении зонда с интегрально-оптическим резонатором к исследуемому объекту происходит частичное отражение электромагнитной волны в обратном направлении, включая обратное прохождение по диэлектрическому световоду.
Claims (3)
1. Зонд ближнепольного микроскопа, выполненный в виде отрезка световода с заостренным конусообразным концом с нанесенными на наружные поверхности конуса по крайней мере двумя электропроводящими элементами с диэлектрическим промежутком между ними, отличающийся тем, что на вершине конуса между электропроводящими элементами в области расположения безизлучательных электромагнитных мод размещено средство оптического согласования.
2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что средство для оптического согласования выполнено в виде квантовых точек с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.
3. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что средство оптического согласования выполнено в виде интегрально-оптического резонатора с резонансной частотой, равной частоте электромагнитной волны, вводимой в световод.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017109738A RU2663266C1 (ru) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Зонд ближнепольного микроскопа |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017109738A RU2663266C1 (ru) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Зонд ближнепольного микроскопа |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2663266C1 true RU2663266C1 (ru) | 2018-08-03 |
Family
ID=63142614
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017109738A RU2663266C1 (ru) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Зонд ближнепольного микроскопа |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2663266C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007156033A (ja) * | 2005-12-02 | 2007-06-21 | Ricoh Co Ltd | 光ファイバープローブおよび検査方法および検査装置 |
JP2008233109A (ja) * | 1999-05-10 | 2008-10-02 | Jasco Corp | 近接場光学用プローブ |
US20090022456A1 (en) * | 2005-04-27 | 2009-01-22 | Schmadel Donald C | Optical fiber probe tips and methods for fabricating same |
-
2017
- 2017-03-23 RU RU2017109738A patent/RU2663266C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008233109A (ja) * | 1999-05-10 | 2008-10-02 | Jasco Corp | 近接場光学用プローブ |
US20090022456A1 (en) * | 2005-04-27 | 2009-01-22 | Schmadel Donald C | Optical fiber probe tips and methods for fabricating same |
JP2007156033A (ja) * | 2005-12-02 | 2007-06-21 | Ricoh Co Ltd | 光ファイバープローブおよび検査方法および検査装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gallot et al. | Terahertz waveguides | |
US4994818A (en) | Scanning tip for optical radiation | |
US8003961B2 (en) | Electromagnetic wave generating device, electromagnetic wave integrated device, and electromagnetic wave detector | |
WO2006019776A2 (en) | A method for coupling terahertz pulses into a coaxial waveguide | |
JPH05313108A (ja) | 光変調器 | |
US9377580B2 (en) | Surface plasmon polariton device including discontinuous waveguide separated by gap, and apparatus and method for generating surface plasmon polariton signal using same | |
Wang et al. | Influence of Interaction Between Fiber Probe and Sample Surface on Near-Field Probing of Plasmonic Structures | |
RU2663266C1 (ru) | Зонд ближнепольного микроскопа | |
JP4354932B2 (ja) | テラヘルツ光源 | |
Zhu et al. | Inexpensive and easy fabrication of multi-mode tapered dielectric circular probes at millimeter wave frequencies | |
KR101578614B1 (ko) | 간극으로 단절된 불연속 도파로를 가지는 표면 플라즈몬 폴라리톤 소자를 이용한 표면 플라즈몬 폴라리톤 신호 생성 장치 및 방법 | |
US11239538B2 (en) | Photonic integrated circuit comprising a dielectric waveguide on a substrate including a local functionalization to enable metallization-free THz wave propagation | |
KR101039126B1 (ko) | 테라헤르츠파 평행판 도파관 | |
Yamashita et al. | Distributed capacitance of a thin-film electrooptic light modulator | |
Misra et al. | Characterization of a hollow core fibre-coupled near field terahertz probe | |
Babicheva | Hyperbolic-metamaterial waveguides for long-range propagation | |
Pahlevaninezhad | Design and implementation of efficient terahertz waveguides | |
Demming et al. | Field Distribution Within Coaxial Scanning Near‐Field Optical Microscope Tips | |
Sychugov et al. | Interaction of whispering-gallery electromagnetic waves with acoustic waves in tapered quartz rods | |
JP2007074043A (ja) | 電磁波導波路 | |
Bakunov et al. | Intermode conversion in a near-field optical fiber probe | |
McCutchen | Transmission line probes for scanning photon‐tunneling microscopy | |
Ma et al. | Tunable terahertz filters based on gold-coated silicon plates with corrugations | |
Zuev et al. | Subwavelength electromagnetic-field narrowing | |
Mirianashvili et al. | Coupled-mode analysis of bent planar waveguides with finite claddings |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190324 |