CC BY
37
УДК 53.082.56
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ БЛИЖНЕПОЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП
КРИОСБОМЮ1
М. Г. Петрова, Г. В. Мишаков, Е. И. Дсмихов, А. И. Шарков
Разработан оптический сканирующий микроскоп ближнего поля. Спроектирован криостат для, получения, низких температур в диапазоне 1.8-300 К. Усовершенствован блок управления, и программ,ное обеспечение микроскопа с учетом, температурного диапазона. Отработана, методика измерений при комнатной температуре на, тестовых решетка,х алюминия, на, стекле с периодом 4 мкм. Установлен оптимальный размер поля сканирования, позволяющий пренебрегать нел/инейностям/и пьезокерам/ики.
Ключевые слова: сканирующая микроскопия, зондовая микроскопия, ближнее поле, низкие температуры.
1. Назначение и принцип действия. Низкотемпературный сканирующий ближне-польньтй оптический микроскоп КриоСБОМЮ1 это прибор для изучения оптических свойств наноструктур с разрешением, значительно превышающим дифракционный предел [1]. Ближнепольная микроскопия представляет большой интерес для научных исследований и современных технологий. Это связано с тем. что с ее помощью можно изучать объекты без их повреждения и в естественном окружении [2]. СБОМ позволяет получать изображение как для прозрачных [3], так и для отражающих объектов [4. 5], обладает высоким пространственным разрешением [3, 6, 7].
Важнейшим развитием идеи ближнепольной микроскопии являются спектроскопические исследования при низких температурах [8]. Основные объекты таких исследований квантовые структуры (например. КВсШТОВЫб точки [9] и нити). Существует множество причин для перехода к низким температурам: квантовые эффекты, прису-
Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, РТИ Крио-магнитные системы, 119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д. 53; e-mail: [email protected].
щие твёрдым телам, заметно усиливаются, поскольку все безызлучательньте процессы подавляются (исчезает тепловой тттум).
Таблица 1
Наименование Параметры
1. Микроскоп
Разрешение, нм 30 50
Расстояние между образцом и зондом, нм 5 10
Апертура острия волокна, нм 30 70
Максимальное поле сканирования, мкм 15 х 15
Грубый повод при комнатной температура, мкм 10 1
Мода АРМ есть
2. Криостат
<1д<1гент Не
Емкость азотного резервуара, л 3.6
Емкость гелиевого резервуара, л 4
Диаметр тттахты Б2. мм 60
Диаметр гелиевых окон, мм 20
Диаметр наружных окон, мм 38
Количество окон, мм 4
Диапазон изменения температуры с 1з1а1310 (Не). К 4.2 300
Точность стабилизации температуры (Не). К ±0.1
Температура при откачке паров (Не). К 1.8
Основные стадии получения изображения [10]: Луч лазера через согласующий элемент попадает в заострённое металлизированное волокно и на выходе сужается до размеров диафрагмы.
Взаимное перемещение острия и образца в трёх измерениях осуществляется при помощи пьезодвижителей.
Протпедтпие через образец или отражённые и рассеянные фотоны улавливаются микрообъективом и направляются в фотоумножитель.
В нашей системе микроскоп размещен на вставке в оптический криостат ор^гуо 105 с диаметром тттахты 60 мм и диапазоном температур 1.8 300 К.
Принцип действия микроскопа КриоСБОМЮ1 состоит в том. что изображение объекта строится по точкам, каждая из которых соответствует статистически усреднен-
Рис. 1: Схема головки оптического микроскопа для работы в составе гелиевого крио-стата (пояснения в тексте).
ному отклику образца на возбуждающий лазерный луч. Величина зазора между зондом и поверхностью объекта находится в пределах 1-10 нм. Оптическая разрешающая способность такого микроскопа определяется размером острия зонда (апертурой) и составляет 30-50 нм. Кроме оптического изображения, микроскоп КриоСБОМЮ1 может одновременно исследовать топографию поверхности объекта (АГМ-мода).
2. Параметры системы. В таблице 1 представлены параметры низкотемпературного сканирующего ближнепольного микроскопа.
3. Описание прибора. В нашей системе микроскоп размещен на вставке в криостат. Общий вид вставки показан на рис. 1, общий вид оптического криостата - на рис. 2. Источником возбуждения является лазер. Излучение заводится в волокно 1 (рис. 1). Конец волокна заострен и на его боковую поверхность нанесено отражающее покрытие - зонд 2. Для поддержания расстояния между зондом и поверхностью образца 3 используется резонатор камертонного типа. Сигнал от резонатора проходит по кабелю 4 к системе обратной связи, управляющей ^-подвижкой 5. Перемещение образца вдоль осей х, у осуществляется пьезосканером 6: при подаче пилообразного сигнала система пьезосканер 6 + неподвижная сапфировая шайба 7 + подвижная сапфировая шайба
3
Рис. 2: Схема оптического гелиевого криостата.
8 + образец сначала сдвигается на нужное расстояние, а затем при резком спаде напряжения шайба 7 и пьезосканер возвращаются в начальное положение, а шайба 8 и образец сдвигаются.
Сигнал от образца принимается светосильным зеркальным объективом 9 и передается по многомодовому волокну 10 к ФЭУ. Программа обработки изображения содержит большой набор функций, позволяющих убрать шумы, искажающие изображение. Вся оптическая конструкция удерживается на четырех трубках из нержавеющей стали 11 и на верхнем несущем фланце 12. Система сканирования собрана на нижнем несущем фланце 13.
Получение низкой температуры обеспечивает универсальный гелиевый/азотный криостат (рис. 2). Внутри криостата находится гелиевый 1 и азотный 2 резервуары. Азотный резервуар служит для охлаждения теплового экрана 3. Жидкий хладагент подается через капилляр в нижнюю часть шахты 4 и испаряется на теплообменнике 5. Температура образца регулируется изменением потока газообразного гелия/азота и резистивным нагревателем 6 на теплообменнике. В температурном интервале 4.2-273 К образец находится в восходящем потоке гелия. Поток газа регулируется электромагнитным клапаном и дифференциальным регулятором давления, которые расположены в маностате (отдельный блок). Двухуровневая система регулировки пото-
ка газа и температуры теплообменника обеспечивает высокую точность поддержания температуры и низкий расход гелия. Температуры от 4.2 до 1.8 К достигаются откачкой паров гелия.
Методика измерений. Источником возбуждающего излучения является лазер. Программа управления контролирует систему позиционирования зонда (через обратную связь). Свет от люминесцирующего образца собирается объективом. С помощью фильтра отрезается возбуждающая длина волны, остальная часть регистрируется системой счета фотонов, информация от которой передается в программу управления микроскопом. Зонд перемещается к следующей точке образца. Весь процесс повторяется. Таким образом строится оптическое изображение.
12000 юооо 8000 6000 4000 2000
Рис. 3: Топографическое (слева) и оптическое (справа) изображение калибровочной решетки алюминия на стекле с периодом 4 мкм.
Параллельно с оптическим изображением можно получать топографию образца с помощью системы контроля расстояния зонд-поверхность (мода АРМ).
Тестовые измерения. Первичные тестовые измерения проводились при комнатной температуре на решетках алюминия на стекле. Кроме визуализации работы микроскопа исследования решеток служили для модификации программы управления: нелинейность пьезокерамики приводит к искажению объектов. С учетом калибровки был выбран оптимальный размер поля сканирования, на котором нелинейности будут пренебрежимо малы: пьезокерамика ведет себя линейно, если размеры поля лежат в пределах 15-25 мкм в каждом направлении.
На рис. 3 представлены топографическое и оптическое изображения калибровочной решетки с периодом 4 микрона, скважность 50%. Дальнейшие эксперименты планируется проводить при низких температурах на квантовых ямах наноструктур СаАй/АЮаАй.
ЛИТЕРАТУРА
[1] D. W. Pohl. "Scanning near-field optical microscopy (SXOM)" In: Advances in optical and, electron microscopy, vol. 12 (London. Academic. 1991), p. 243.
[2] Th. Hartmann, R. Gatz, W. Wiegrabe, et al., NATO Adv. Stud. Inst. E242, 35 (1993).
[3] U. Ch. Fischer, NATO Adv. Stud. Inst. E184, 475 (1990).
[4] A. Harootunian. E. Betzig. M. Isaacson, and A. Lewis. Appl. Phys. Lett. 49. 674 (1986).
[5] U. Ch. Fischer, U. T. Durig, and D. W. Pohl, Appl. Phys. Lett. 52, 249 (1988).
[6] S. Bozhevolnyi, J. Opt. Soc. Am. B14, 2254 (1997).
[7] H. G. Frey. F. Iveilmann. A. Ivriele. and R. Guckenberger. Appl. Phys. Lett. 81. 5030 (2002).
[8] H. D. Robinson. "Low temperature near-field spectroscopy of self-assembler quantum dots". Dissertation in Boston University Graduate School of arts and science. 2000.
[9] X. Fan, P. Palinginis, S. Lacey, et al., Opt. Lett. 25, 1600 (2000).
[10] M. H. Либенсон. "Преодоление дифракционного предела в оптике". Соросовский образовательный журнал 6. 99 (2000).
По материалам Я Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 14 июля 2010 г.
