Исследование взаимодействия терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом безапертурном ближнепольном микроскопе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

005060960

Самойлов Леонид Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СИСТЕМОЙ ЗОНД-ОБЪЕКТ В ТЕРАГЕРЦОВОМ БЕЗАПЕРТУРНОМ БЛИЖНЕПОЛЬНОМ МИКРОСКОПЕ

Специальность: 01.04.05-Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

6 И'ЛЧ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005060960

Работа выполнена на кафедре фотоники и оптоинформатики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук, старший

научный сотрудник

Трухин Валерий Николаевич

Анкудинов Александр Витальевич,

кандидат физико-математических наук, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химических свойств полупроводников

Резник Александр Николаевич,

доктор физико-математических наук, Институт физики микроструктур Российской академии наук, ведущий научный сотрудник отдела физики полупроводников

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт аналитического приборостроения Российской академии наук

Защита диссертации состоится «20» июня 2013 г. в 17 часов 10 минут в аудитории 285 на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «19» мая 2013 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.02 кандидат физико-математических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Терагерцовая ближнепольная микроскопия — это один из новых развивающихся методов неразрушающей диагностики наноструктур. Исследования в терагерцовом спектральном диапазоне представляют исключительный интерес благодаря большому количеству спектральных особенностей различных материалов и веществ, широко востребованных, в частности, современной полупроводниковой промышленностью и медициной, а также рядом других направлений. Характерные размеры объектов таких исследований лежат между единицами нанометров и десятками микрометров, что формирует основные требования к методу диагностики подобных структур: регистрация спектральных особенностей в терагерцовом диапазоне в максимально возможном спектральном интервале и с максимально высокими пространственным и спектральным разрешением. Одним из перспективных методов решения данной задачи и является терагерцовая ближнепольная микроскопия, в основе которой лежит тесная интеграция методик сканирующей зондовой микроскопии и терагерцовой когерентной спектроскопии во временной области.

В основе метода лежит регистрация терагерцового ближнего поля, создаваемого исследуемым объектом, при помощи специально изготовленного зонда, который может представлять собой либо заостренный волновод с малой входной апертурой, либо просто конус. Пространственное разрешение, получаемое при помощи апертурных зондов, ограничено эффектами волноводной отсечки и низкой пропускной способностью самой апертуры, что не позволяет разрешить объекты с характерными размерами меньше десятков микрометров. Это ограничение можно обойти за счет применения безапертурных зондов, которые выступают в роли усилителя возбуждающего терагерцового поля и используются для переизлучения ближнего терагерцового поля исследуемого объекта в область дальнего поля.

Основным вопросом в интерпретации сигнала, полученного при помощи такого зонда, является анализ процессов, которые происходят в ходе взаимодействия возбуждающего поля как с исследуемым образцом, так и с самим зондом, и оценка их роли в итоговом сигнале. Попытки такого анализа проводились рядом зарубежных групп и ранее, однако полученные ими результаты не представляются согласованными и не образуют целостной модели, которая бы объясняла особенности такого взаимодействия. Таким образом, основополагающий вопрос о том, как зонд влияет на результирующее распределение ближнего поля и последующую интерпретацию зарегистрированного сигнала, остается открытым и, несомненно, актуальным для правильного понимания принципов работы терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

Дель работы состояла в исследовании особенностей взаимодействия возбуждающего терагерцового поля с исследуемым объектом, вблизи которого находится зонд безапертурного ближнепольного микроскопа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать способ выделения сигнала, обусловленного процессом взаимодействия ближнепольных компонентов терагерцового поля с исследуемым объектом, находящимся вблизи зонда безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования рассеяния терагерцового импульса, сфокусированного на зонде терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

3. Исследовать влияние геометрической формы зонда на эффект усиления ближнепольной компоненты терагерцового излучения, рассеянного на зонде терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

4. Исследовать влияние параметров модуляции зонда на спектральные характеристики рассеянного терагерцового излучения.

5. Провести экспериментальные исследования зависимости величины ближнепольной компоненты терагерцового поля от расстояния между зондом и поверхностью для различных сред, отличающихся величиной диэлектрической проницаемости.

6. Провести экспериментальные исследования распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах. На основе модели точечного диполя и модели антенны разработать теоретическую модель, достаточную для анализа экспериментальных результатов и для идентификации электронных свойств полупроводниковых структур в терагерцовом диапазоне.

Методы исследования:

Для проведения экспериментальных исследований процесса взаимодействия ближнепольной компоненты терагерцового электромагнитного поля с исследуемым объектом вблизи зонда атомно-силового микроскопа были использованы методы терагерцовой когерентной спектроскопии и терагерцовой ближнепольной микроскопии.

Положения, выносимые на защиту;

1. Предложен способ регистрации сигнала, связанного с процессом взаимодействия ближнепольных компонентов терагерцового поля с исследуемым объектом, находящимся вблизи зонда безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, заключающийся в том, что общий сигнал рассеяния терагерцового излучения на системе «зонд-исследуемый объект» последовательно фильтруется сначала на частоте <о0 модуляции основного терагерцового излучения, а затем на частоте т] вертикальных колебаний зонда относительно исследуемого образца (о, «<»„).

2. При рассеянии сфокусированного гауссова терагерцового пучка на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, имеющем форму конуса с малым углом раствора либо тонкого цилиндра, в области неоднородной засветки на границе перехода от освещенной области к области тени происходит возбуждение дифракционной краевой волны.

3. Амплитуда и спектральный состав терагерцового излучения, рассеянного на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, зависят от формы зонда и амплитуды модуляции вертикального положения зонда. Амплитуда терагерцового излучения, рассеянного на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, имеющем форму вогнутого конуса, превышает амплитуду терагерцового излучения, рассеянного на зонде в форме выпуклого конуса. Увеличение амплитуды модуляции вертикального положения зонда приводит к усилению фазовой модуляции рассеянного на зонде терагерцового излучения, что вызывает изменение спектрального состава регистрируемого терагерцового излучения.

4. Аппроксимация экспериментального спектра, полученного при исследовании области полупроводниковой структуры в безапертурном ближнепольном терагерцовом микроскопе, спектром терагерцового ближнепольного сигнала, теоретически рассчитанным на основании модели точечного диполя и модели антенны для определенной концентрации носителей заряда, позволяет определить концентрацию носителей заряда в исследуемой области с разрешением до 100 нм.

Научная новизна работы определяется результатами экспериментальных исследований, проведенных впервые, и обнаружением ряда новых эффектов:

1. Впервые систематически исследовано, как характеристики терагерцового излучения, рассеянного на зонде терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа, зависят от формы зонда, параметров его модуляции, а также диэлектрической проницаемости исследуемого образца.

2. Экспериментально показано, что зонды с вогнутым коническим профилем позволяют увеличить сигнал рассеяния по сравнению с зондами с выпуклым коническим профилем.

3. Обнаружен эффект, связанный со спектральной перестройкой рассеянного зондом терагерцового излучения при увеличении амплитуды модуляции вертикального положения зонда.

4. Впервые показано, что краевая дифракция происходит не только на концах ограниченного рассеивателя, но также и на границе перехода от области возбуждения к области тени.

Достоверность полученных результатов обоснована тем, что предложенный способ регистрации терагерцового ближнепольного сигнала апробирован экспериментально, а результаты определения пространственного распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых

структурах подтверждены независимыми оценками, сделанными на основе технологических параметров роста структуры.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что:

1. Предложенный способ регистрации компонентов ближнего терагерцового поля позволяет выделить очень слабый сигнал рассеяния локального терагерцового поля на зонде.

2. Полученные результаты о влиянии формы зонда и амплитуды модуляции его вертикального положения на характеристики рассеянного терагерцового излучения могут быть использованы при выборе зондов и режимов работы терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

Практическая реализация результатов работы:

Результаты работы использовались при выполнении проектов в рамках грантов РФФИ и государственных контрактов Министерства образования и науки РФ. В рамках программы «У.М.Н.И.К.» проводилась НИР «Разработка метода исследования рассеяния терагерцового электромагнитного поля от поверхности образца вблизи заостренного зонда» (2010-2011 г.г.). Диссертант также был руководителем государственного контракта № 14.740.11.1241.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы апробировались на ряде Международных и Российских конференций: International Symposium "Terahertz Radiation: generation and application" joined with Scientific School-Workshop (Novosibirsk, 2010), The International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (IRMMW-THz), (Rome, Italy, 2010; Houston, USA, 2011), EOS Annual Meeting (Paris, France, 2010), XL научная и учебно-методическая конференция Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Санкт-Петербург, Россия, 2011, 2013), Международная зимняя школа по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2011), VIII Международная конференция "Интенсивное микроволновое и терагерцовое излучение: источники и приложения" (Нижний Новгород - Санкт-Петербург, 2011), X Российская конференция по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2011), Ежегодная международная конференция «Дни дифракции» (Санкт-Петербург, 2012), 3rd EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology (TST 2012) (Prague, Czech Republic, 2012), 2-nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications" (Москва, 2012), VII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики — 2012» (Санкт-Петербург, 2012), IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, 2013).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора

Научным руководителем была сформулирована цель исследования. Диссертант принимал непосредственное участие в постановке и решении задач, проведении экспериментов, обработке, обсуждении и отборе полученных результатов, а также подготовке публикаций на их основе.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 110 страниц, включая 50 рисунков и список литературы, содержащий 110 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и задачи работы, перечислены научные положения, выносимые на защиту, а также определена структура диссертации.

В первой главе приведен обзор известных методов регистрации ближнего поля в терагерцовом (ТГц) спектральном диапазоне, рассмотрены их основные особенности, а также достоинства и недостатки конкретных реализаций. Приведены сведения, необходимые для понимания основ работы безапертурного ближнепольного микроскопа, включающие в себя описание методов когерентной ТГц-спектроскопии и сканирующей зондовой микроскопии, методов генерации и детектирования ТГц-излучения. Обсуждаются различные интерпретации процесса взаимодействия возбуждающего ТГц-излучения с системой «зонд-исследуемый объект» в известных теоретических и экспериментальных исследованиях, а также обосновывается необходимость проведения дополнительных исследований в данном направлении.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной схемы ТГц ближнепольного микроскопа, при помощи которого проводились все экспериментальные исследования. Функционально данный микроскоп, схема экспериментальной установки которого изображена на Рис. 1, представляет собой когерентный ТГц-спектрометр с временным разрешением, в который интегрирован атомно-силовой микроскоп (АСМ) на базе сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) NanoEducator, работающий в полуконтактном режиме.

В ТГц когерентном спектрометре после расщепления исходного оптического луча на два световых импульса пучок накачки проходит оптическую линию задержки и попадает на ТГц-генератор, вызывая генерацию ТГц-излучения. В качестве генератора ТГц-излучения применялась фотопроводящая антенна на основе низкотемпературного GaAs, выполненная в виде массива пар электродов, над зазорами между которыми помещены микролинзы для эффективного ввода излучения в антенну и повышения коэффициента конверсии. Генерация ТГц-излучения происходит при одновременном приложении к массиву электродов прямоугольных электрических импульсов с

амплитудой 25 В и частотой ~50 кГц и его облучении сверхкороткими импульсами титан-сапфирового лазера Mai Tai (Spectra Physics), имеющими следующие характеристики: длина волны излучения 800 нм, длительность импульса 90 фс, частота повторения импульсов 80 МГц, средняя мощность

микроскопа. Условные обозначения: СД — светоделительный элемент; 3 1-3 11 —

широкополосные зеркала; ПЗ 1-ПЗ 4 — параболические зеркала; ФПА — фотопроводящая антенна; АСМ — атомно-силовой микроскоп; ПВ — призма Волластона; БФП — балансный фотоприемник; ГИ — генератор импульсов; СУ 1, СУ 2 — синхронные усилители; ЭВМ — электронно-вычислительная машина.

ТГц-излучение, генерируемое в фотопроводящей полупроводниковой антенне, с помощью пары параболических зеркал (ПЗ-1 и ПЗ-2) собиралось и фокусировалось на острие зонда. ТГц-излучение было поляризовано в плоскости падения. Модуль АСМ представляет собой модернизированный СЗМ NanoEducator, у которого функции сканирования по вертикальной оси перенесены с образца на зонд, поскольку в схеме установки образец одновременно выполняет роль одного из зеркал в тракте ТГц-излучения.

Зонды изготавливались по стандартной методике анодного электрохимического травления (Рис. 2) из вольфрамовой проволоки диаметром 100 мкм и 150 мкм, имели длину до 1 см и оканчивались в форме тонкого цилиндра либо конуса длиной порядка 1 мм. В случае формирования на конце зонда тонкого цилиндра его диаметр равен 20 мкм; радиус закругления вписанной в конец зонда окружности при формировании на его конце конуса

составляет от 50 нм до 500 нм. Относительно исследуемой поверхности зонд располагался перпендикулярно, а его положение в вертикальном направлении могло меняться в диапазоне нескольких сантиметров.

1±

J"

КАТОД

АНОД

(В) (г)

Рис. 2 — Схемы анодного электрохимического травления и примеры полученных зондов.

(а) - Травление в ванне с электролитом, (а) - РЭМ-изображение зонда, полученного методом травления в ванне, (а) - травление в капле электролита, (а) - РЭМ-изображение зонда, полученного методом травления в капле.

Для регистрации ТГц-импульса применялся метод электрооптического стробирования, который основан на эффекте Поккельса в электрооптических кристаллах и позволяет измерять текущее состояние поля ТГц-импульса во временной области, определяя не только его амплитуду, но и фазу.

Для непосредственной регистрации сигнала, связанного с процессом взаимодействия ближнепольных компонентов ТГц-поля с исследуемым объектом, находящимся вблизи зонда, был предложен способ, заключающийся в модуляции генерируемых ТГц-импульсов и вертикального положения зонда АСМ на частотах а>0 и со3, соответственно, и последовательной фильтрации зарегистрированного сигнала на данных частотах при помощи синхронных усилителей. Последовательное выделение сигнала сначала на частоте модуляции ТГц-излучения <и0, а затем на частоте модуляции вертикального положения

зонда а>1 при условии, что ю, «о)0, дает возможность существенно уменьшить уровень регистрируемых шумов и тем самым увеличить соотношение «сигнал/шум». Регистрируемый на частоте о, сигнал далее по тексту будет называться дифференциальным ТГц-сигналом.

В третьей главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований рассеяния ТГц-излучения на тонких металлических цилиндрах и конусообразных рассеивателях.

Из первых принципов была решена задача дифракции электромагнитного излучения с неоднородным пространственным распределением на полубесконечном тонком металлическом цилиндре. Теоретические расчеты были проведены в рамках приближений, используемых в работе Л. А. Вайнштейна1, в которой исследован процесс рассеяния плоской электромагнитной волны на полубесконечном тонком идеальном металлическом цилиндре. Было получено выражение для спектральной компоненты электрического поля рассеянной электромагнитной волны в дальней зоне:

/Ч 2 /__8Ш0„ е***—""'»

х(к<х>ьв)х{ксоъв0) Бтв 1п 2/

укаьтб

где Ео - амплитуда поля падающей волны, к — волновой вектор падающей волны, Я - радиус-вектор, в—угол падения, во — угол регистрации, у= 1.781..., а — радиус зонда,/ - функция, введенная в работе Л.А. Вайнштейна1.

Полученное аналитическое выражение для электрического поля рассеянной ТГц-волны допускает следующую наглядную физическую интерпретацию. Слагаемые в этом выражении описывают две сферические волны, расходящихся от двух точек: конца зонда и границы перехода от области возбуждения к области тени. При угле регистрации ж-в0 полученное выражение преобразуется в соотношение, из которого следует, что регистрируемая в дальней зоне рассеянная ТГц-волна представляет собой расходящуюся сферическую волну со спектром, аналогичным спектру падающей волны. Амплитуда этого поля становится больше примерно в г0к раз (~10). Таким образом, представление о локализации источника краевой волны в месте границы перехода свет-тень позволяет описать процесс генерации краевых дифракционных волн подобному тому, как это происходит при рассеянии электромагнитной волны на неоднородности рассеивателя.

В ходе экспериментов были выявлены некоторые особенности в волновых формах рассеянного импульсного ТГц-излучения и соответствующих ему спектрах, которые подтвердили теоретическую модель.

1 Вайнштейн Л.А. Волны тока в тонком цилиндрическом проводнике. Часть II. Ток в пассивном вибраторе и излучение передающего вибратора//ЖТФ. 1959. Т. XXIX. Вып. б. Ст. 689-699.

Еа = -—Е„

' ЩСО50+СО30О)

&

к . <-

► 5 Г 1 .......... 800 мкм

! | ---Ш>мкм

- . 1 1

- . 1.....• ! | 1 ! 1 1 1 1 (.......1 . 1 .

А 6 8 10 ¡2 И Временная задержка (пс)

(а)

~ мкм

- 252.5 мкм •702.5 мкм

4 Н 12 16 20 Временная задержка (по)

(б)

Рис. 3 - Положение экстремумов волновой формы рассеянного импульсного ТГц излучения при изменении положения зонда по высоте. Рисунок (а) - рассеяние на свободном зонде. Рисунок (б) - рассеяние на зонде в присутствии отражающей поверхности под зондом.

Было обнаружено, что в отсутствие отражающей подложки под зондом изменение положения зонда по высоте приводит к появлению временной задержки экстремумов амплитуды ТГц электрического поля, величина которой пропорциональна изменению высоты зонда (Рис. За). Однако при размещении отражающей подложки под зондом данный эффект не наблюдается (Рис. 36). Зависимость максимума амплитуды рассеянного ТГц-поля от высоты зонда отражает пространственное распределение ТГц-излучения в вертикальном направлении, однако в присутствии отражающей подложки это распределение уже. Положения максимума и минимума амплитуды волновой формы импульсного ТГц-излучения, рассеянного на свободном зонде (без подложки), в координатах линии задержки линейно зависят от вертикального положения зонда в диапазоне его перемещений вплоть до 2 мм. Все экспериментальные результаты, полученные для зонда без отражающей поверхности под ним, дают основание полагать, что рассеянное ТГц электромагнитное поле в дальней зоне можно представить в виде сферической волны, распространяющейся от конца зонда, амплитуда которой определяется локальным полем вблизи острия зонда. Смещение зонда в вертикальном направлении приводит как к временному сдвигу экстремумов в волновых формах вследствие изменения временной задержки, так и изменению их величин в силу изменения локального поля. Помещение отражающей подложки под зондом приводит к существенным изменениям в волновой форме рассеянного импульсного ТГц-излучения: ее амплитуда возрастает на порядок, а сама форма сильно меняется (Рис. 4а).

При внесении под зонд отражающей поверхности изменяется геометрия возбуждения рассеивающего элемента (зонда) и регистрации рассеянного поля за счет добавления дополнительных направлений возбуждения и регистрации: к исходному возбуждению зонда (угол падения в0) прибавляется излучение, отраженное от образца-подложки под углом л-в0, а регистрация теперь также включает и отражение от подложки п-в (Рис. 4а).

§ 4

?

— (11»-« - ■ «/»•«»«

- - .......

СПОД-'ЮЖКОЙ — бс! ПОЛЛПЖКИ

Рис. 4 — Влияние отражающей поверхности под зондом на волновые формы и спектры импульсного ТГц-излучения, рассеянного на зонде, (а) - волновые формы рассеянного импульсного ТГц излучения при отсутствии (пунктирная линия) и наличии (сплошная линия) отражающей поверхности под зондом. Во вставке — геометрическая иллюстрация

различных вариантов возбуждения и регистрации рассеянного ТГц излучения, (б) -Спектры рассеянного и падающего импульсного ТГц-излучения: 1 — спектр падающего излучения |Е(а>)|. 2 - |Е(ш)| / со (со - частота). 3 — спектр рассеянного ТГц-излучения в отсутствие отражающей поверхности под зондом. 4 — спектр рассеянного ТГц-излучения в присутствии отражающей поверхности под зондом (Ь=2.5 мкм). Зонд — >Л^-цилиндр,

г=10 мкм.

Слабое смещение экстремумов волновых форм при смещении зонда по вертикали и увеличение амплитуды рассеянного поля на порядок в присутствии подложки свидетельствуют о том, что основной вклад в сигнал обеспечивается в геометриях возбуждения-детектирования (2) и (3), а амплитуда рассеянного поля в геометриях (1) и (4) существенно ниже. В присутствии отражающего образца спектр рассеянного на зонде ТГц излучения практически не отличается от спектра падающего на систему «зонд+образец» излучения, в то время как отсутствие образца приводит к его существенному изменению, в результате которого он приобретает форму интегрированного начального импульса с характерным спадом в области высоких частот (Рис. 46). Необходимо отметить, что описанные спектральные особенности рассеянного ТГц-излучения в присутствии отражающего образца справедливы исключительно для зондов, оканчивающихся длинным тонким цилиндром либо конусом с малым углом раствора. Если зонд оканчивается цилиндром, диаметр которого сопоставим с длиной волны ТГц-излучения, то указанная разница в спектрах не наблюдается, а сам спектр практически идентичен спектру исходного излучения. Эксперименты не показали изменения спектра рассеянного на зонде ТГц-излучения при изменении высоты самого зонда. На пространственных масштабах порядка длины волны возбуждающего ТГц-излучения зонды в виде длинного конуса с малым углом раствора могут быть с хорошим приближением описаны как тонкие цилиндры, так как поперечные размеры конуса в области возбуждения ТГц-излучением значительно меньше длины волны этого излучения.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию некоторых явлений, существенно влияющих на характер работы ТГц безапертурного ближнепольного микроскопа.

В начале главы приводятся результаты экспериментального исследования зависимости эффекта усиления рассеяния ТГц-излучения от геометрической формы зонда. Использовались зонды с вогнутым и выпуклым профилем конуса

Рис. 5 - Волновые формы дифференциального терагерцового сигнала, полученные для выпуклого (1) и вогнутого (2) зондов Было экспериментально показано, что усиление ближнего поля в существенной мере зависит от формы металлического зонда (Рис. 5). Рассеяние ТГц-излучения на зондах с вогнутым профилем конуса происходит более эффективно, чем на зондах с выпуклым профилем. Меняя степень вогнутости конуса зонда, удалось добиться увеличения ближнепольного отклика и, таким образом, роста соотношения «сигнал-шум» в системе детектирования. Наблюдаемые отличия качественно объясняются на основе модели острия, в рамках которой зонд моделируется полусфероидом (эллипсоидом вращения) с осью вращения, вытянутой вдоль оси зонда. При сильной вогнутости профиля зонда роль нижней части зонда сводится к созданию зеркального изображения второй части полусфероида. Локальное поле такого сфероида сильно зависит от соотношения его двух главных осей, и чем это соотношение больше, тем больше усиление поля и, следовательно, тем больше амплитуда ТГц электрического поля, регистрируемого в дальней зоне от такого зонда.

Далее в главе приводятся результаты экспериментального исследования влияния амплитуды модуляции вертикального положения зонда на спектральные характеристики ТГц-излучения, регистрируемого в дальней зоне. Показано, что при малой амплитуде модуляции высоты зонда происходит подавление высокочастотной части спектра рассеянного системой зонд-объект

ТГц-излучения по сравнению с исходным излучением. Увеличение амплитуды модуляции высоты зонда приводит к существенному изменению спектра

Частота (ТГц)

Рис. 6 — Амплитудные спектры ТГц излучения, измеряемые в ТГц ближнепольном микроскопе. Исходный спектр ТГц-излучения — точки; спектр дифференциального ТГц-сигнала при амплитуде модуляции высоты 20 нм - сплошная линия; спектр дифференциального ТГц сигнала при амплитуде модуляции высоты >50 нм -штрихпунктирная линия.

Как видно из Рис. 6, при возрастании амплитуды модуляции спектр ТГц-излучения уширяется, а его максимум смещается в область высоких частот. При этом возрастает вклад высокочастотных компонент спектра. Наблюдаемое явление интерпретируется следующим образом. Зонд конвертирует локальное поле в распространяющуюся электромагнитную волну кончиком острия, т.е. регистрируемая волна представляет собой сферическую волну, расходящуюся от конца зонда (сферическая волна, расходящаяся от границы перехода от области возбуждения к области тени, по амплитуде мала). Поэтому при модуляции высоты зонда происходит модуляция временной задержки терагерцового сигнала, что приводит к фазовой модуляции регистрируемого сигнала. Если модуляция длины распространения терагерцового излучения мала по сравнению с длиной волны, то измеряемый сигнал на частоте модуляции зонда должен бьггь пропорционален производной по времени от величины рассеянного терагерцового сигнала, обусловленного полным рассеянием. Очевидно, что спектр этого сигнала будет похож на исходный спектр падающего терагерцового излучения. Сигнал на частоте модуляции амплитуды колебаний зонда при увеличении этой амплитуды может быть за счет описываемой фазовой модуляции сравним с сигналом, регистрируемым вследствие изменения амплитуды локального поля (амплитудная модуляция), которое характерно для эванесцентного поля, совместно создаваемого зондом и нанообъектом под ним при падении на эту систему терагерцового излучения. Поэтому для исследования эффекта взаимодействия ближнепольной компоненты электрического поля с

объектом, находящимся вблизи зонда терагерцового микроскопа, необходимо осуществлять модуляцию амплитуды колебаний зонда такой величины, при которой был бы минимален вклад фазовой модуляции при регистрации дифференциального терагерцового сигнала.

В конце главы описываются результаты экспериментального исследования особенностей т.н. «кривых подвода» (зависимость величины ближнепольной компоненты ТГц-поля от расстояния между зондом и поверхностью образца) для нанообъектов, различающихся химическим составом.

1.2 i 1.0. Cft

се

§ од.

п «т г* £ 0.2 с

3 CS

-0.2

-Au i

1---GaA«l

Г » 75 1Ш

Я

Р 5Н

\ - - -GaAs.: I-Au j

' 600 им

-ooo -гоо

Высота чонла (ям)

■2C9Q -ISСО -1000 -ЪОО

Высота зонда (им)

(а) (б)

Рис. 7 - Ненормированные кривые подвода, зарегистрированные при нахождении зонда над поверхностью металла (Au) и над поверхностью полупроводника (GaAs), для зондов с различным радиусом г вписанной в конец зонда окружности, (а) г = 75 нм, (б) г = 600 нм.

Полученные данные свидетельствуют о том, что крутизна роста усиления рассеянного ТГц-излучения возрастает с уменьшением радиуса кривизны вершины зонда, а расстояние, на котором происходит этот рост, примерно соответствует величине радиуса закругления зонда (Рис. 7). Кроме того, можно видеть, что крутизна роста дифференциального сигнала в случае подвода к металлу выше, чем для подвода к полупроводнику. Также показано, что кривые подвода для дифференциального ТГц-сигнала имеют разные абсолютные значения максимумов при нахождении зонда над различными материалами. Эта особенность в усилении рассеяния была использована для получения ТГц-изображения исследуемого образца во время сканирования в режиме АСМ.

В пятой главе описано исследование пространственного распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых микро- и наноструктурах при помощи безапертурного ближнепольного ТГц-микроскопа, а также приведены результаты экспериментальных исследований различных полупроводниковых структур. На основе расчетов была проведена оценка концентрации носителей заряда в заданной области полупроводника.

Спектр терагерцового ближнепольного сигнала, регистрируемого в дальней зоне при нахождении зонда над полупроводником, рассчитывается при помощи модели точечного диполя и модели антенны. Амплитуда этого спектра зависит от комплексного показателя преломления исследуемого образца. В ТГц-области спектра показатель преломления полупроводника зависит от плазменной частоты, которая, в свою очередь, зависит от концентрации

носителей заряда в нем. Данный факт устанавливает взаимосвязь между экспериментально полученными данными и их теоретической аппроксимацией, которая рассчитывается путем варьирования параметра концентрации носителей заряда. Рассчитанные спектры рассеянного на зонде ближнего ТТц-поля для полупроводника 1пАб при различных уровнях его легирования приведены на Рис. 8.

Рис. 8 - Спектры дифференциального ТГц сигнала при различных уровнях легирования исследуемого полупроводника ГпАя. 1 -р= 1016 спГ3,2-р = 51016 спГ3, 3 -р= 1017 сгтГ3, 4-р = 1018 спГ3, 5-п= 1016 сш~3,6-п = 5-1016 спГ3, 7-п = 1017 спГ3, 8-п = 3-1018 спГ3.

Анализ рассчитанных зависимостей показывает, что, в действительности, они имеют немонотонный характер, а вариации величины концентрации носителей заряда приводят к изменению плазменной частоты и, соответственно, различному виду расчетных кривых. Следовательно, данная особенность может быть использована для определения концентрации носителей заряда, что и было продемонстрировано на образце скола р-1пА85ЬР^п)/п-1пА8/п+-1пА8.

На Рис. 9а представлена топография скола образца на основе ГпАэ (пунктирная линия) и соответствующая зависимость ТГц дифференциального сигнала (сплошная линия). Для определения концентрации носителей производится регистрация волновой формы дифференциального ТГц-сигнала при нахождении зонда в исследуемой точке и последующее Фурье-преобразование этой волновой формы для определения спектра дифференциального сигнала. Для того, чтобы получить из этого спектра зависимость, связанную только с процессом взаимодействия компонентов ближнего поля с объектом, и исключить вклад других процессов, производится его нормировка на опорный спектр, полученный от области с известной концентрацией. Полученная в результате такой нормировки экспериментальная зависимость аппроксимируется аналогичной зависимостью, теоретически рассчитанной для известной концентрации носителей заряда.

7,5-.

7,0-

0,5 0,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

Частота [ТГц]

Педгюжка: пЧпА*

• мкм

р-1пА*$ЬР 2 мкм

— ТГц дмфф сигнал |

- - топограф»»« АСМ 1

13 12 14 X (мкм)

(а)

13 1в 20 и Ы 2(1

1.6

£ 14

Ш1.2

3 10

и/0.8 0.6

0,4 0.2

Эксперимент -Расчет |

.8 1,0 1,2 Частота ртц]

(б)

Рис. 9 — (а) Синхронно зарегистрированные топография (пунктирная кривая) и зависимость ТГц дифференциального сигнала (сплошная линия). Образец - скол р-1пА8$ЬР(гп)/п-1пА5/п+-1пА8, образец №2. (б) Отношение спектральных компонент рассеянного ТГц излучения для различных точек сканирования образца.

На Рис. 96 приведено отношение спектров рассеянного ТГц-излучения для области, соответствующей легированному слою р- 1пАя8ЬР(2п) - Е5С(2) , положение зонда Х—21 мкм, и области подложки — Е5С(1) , положение зонда Х~1 мкм. Для приведенной на Рис. 9б экспериментальной кривой наилучшее совпадение с расчетной зависимостью получается при р~1017 см"3, что совпадает с оценкой, сделанной на основе технологических параметров роста структуры.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Показано, что сигнал, связанный с процессом взаимодействия ближнепольных компонентов ТГц-поля с исследуемым объектом, находящимся вблизи зонда, может быть зарегистрирован путем последовательной фильтрации общего сигнала рассеяния терагерцового излучения на системе «зонд-исследуемый объект» сначала на частоте ф0 модуляции основного терагерцового излучения, а затем на частоте ео1 вертикальных колебаний зонда относительно исследуемого образца (а, <<ш0).

2. Показано, что в результате рассеяния сфокусированного гауссова терагерцового пучка на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, имеющем форму конуса с малым углом раствора либо тонкого цилиндра, как на конце зонда, так и в области неоднородного возбуждения на границе перехода от области возбуждения к области тени возбуждаются дифракционные краевые волны.

3. Экспериментально показано, что зонды с вогнутым коническим профилем позволяют увеличить сигнал рассеяния по сравнению с зондами с выпуклым конусом.

4. Обнаружен эффект, связанный со спектральной перестройкой рассеянного зондом терагерцового излучения при увеличении амплитуды его модуляции.

5. Проведено экспериментальное исследование пространственного распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых микро- и наноструктурах при помощи безапертурного ближнеполыюго ТГц-микроскопа. На основе расчетов проведена оценка концентрации носителей заряда в заданной области полупроводника.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ По перечню ВАК:

1. Трухин В.Н., Зиновьев Н.Н., Андрианов А.В., Самойлов Л.Л., Голубок А.О., Фельштын М.Л., Сапожников И.Д., Быков В.А., Трухин А.В. Терагерцовый когерентый сканирующий зондовый микроскоп. // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2010. Т. 5. № 4. Ст. 151—153.

2. Трухин В.Н., Андрианов А.В., Быков В.А., Голубок А.О., Зиновьев Н.Н., Самойлов Л.Л., Сапожников И.Д., Трухин А.В., Фельштын М.Л. Взаимодействие терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом безапертурном ближнепольном микроскопе. // Письма в ЖЭТФ. 2011. Том 93. № 3, Ст.134-138.

3. Трухин В.Н., Голубок А.О., Лютецкий А.В., Матвеев Б.А., Пихтин Н.А., Самойлов Л.Л., Сапожников И.Д., Тарасов И.С., Фельштын М.Л., Хорьков Д.П. Диагностика полупроводниковых структур с использованием терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа. // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2011. Т. 54. № 8-9. Ст. 640-648.

4. Трухин В. Н., Самойлов Л. Л., Хорьков Д. П. Особенности рассеяния сфокусированного терагерцового излучения на зонде терагерцового ближнепольного микроскопа. // Письма в ЖЭТФ. 2012. Том 96. № 12. Ст. 899904.

Другие публикации:

5. Trukhin V.N., Zinov'ev N.N., Andrianov A.V., Samoilov L.L., Golubok A.O., Sapozhnikov I.D., Felsztyn M.L., Bykov V.A. Terahertz coherent scanning probe microscope. // Proceedings of 35th International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2010. DOI: 10.1109/ICIMW.2010.5612469.

6. Trukhin V.N., Golubok A.O., Samoilov L.L. Probe shape effect on near-field enhancement in apertureless terahertz near-field microscope. // Proceedings of 36th International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2011. DOI: 10.1109/irmmw-THz.2011.6104848.

7. Samoylov L.L., Trukhin V.N., Buyskikh A.S., Horkov D.P. Edge diffraction in the scattering of focused terahertz radiation. // Proceedings of Days on Diffraction (DD). 2012. Ст. 211-214. DOI: 10.1109/DD.2012.6402781.

Подписано в печать 17.05.2013 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ 234

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199178, Санкт-Петербург, В.О., 7-я линия, д. 84 А

экспериментально, а результаты определения пространственного распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах подтверждены независимыми оценками, сделанными на основе технологических параметров роста структуры.

Следует отметить, что, во-первых, предложенный способ регистрации компонентов ближнего терагерцового поля позволяет выделить очень слабый сигнал рассеяния локального терагерцового поля на зонде, и, во-вторых, полученные свидетельства о влиянии формы зонда и амплитуды модуляции его вертикального положения на характеристики рассеянного терагерцового излучения могут быть использованы при выборе зондов и режимов работы терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа. Перечисленные факты отражают практическую значимость проведенных исследований.

Результаты выполненной работы сформулированы в виде научных положений, которые выносятся на защиту:

1. Предложен способ регистрации сигнала, связанного с процессом взаимодействия ближнепольных компонентов терагерцового поля с исследуемым объектом, находящимся вблизи зонда безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, заключающийся в том, что общий сигнал рассеяния терагерцового излучения на системе «зонд-исследуемый объект» последовательно фильтруется сначала на частоте а>0 модуляции основного терагерцового излучения, а затем на частоте <х>3 вертикальных колебаний зонда относительно исследуемого образца (со3 <<со0).

2. При рассеянии сфокусированного гауссова терагерцового пучка на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, имеющем форму конуса с малым углом раствора либо тонкого цилиндра, в области неоднородной засветки на границе перехода от освещенной области к области тени происходит возбуждение дифракционной краевой волны.

3. Амплитуда и спектральный состав терагерцового излучения, рассеянного на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, зависят от формы зонда и амплитуды модуляции вертикального положения зонда. Амплитуда терагерцового излучения, рассеянного на зонде безапертурного

Россия, 2011), VIII Международная конференция "Интенсивное микроволновое и терагерцовое излучение: источники и приложения" (Нижний Новгород - Санкт-Петербург, 2011), X Российская конференция по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2011), Ежегодная международная конференция «Дни дифракции» (Санкт-Петербург, 2012), 3rd EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology (TST 2012) (Prague, Czech Republic, 2012), 2-nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications" (Москва, 2012), VII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики - 2012» (Санкт-Петербург, 2012), IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, 2013).

По теме диссертации также были опубликованы следующие работы:

По перечню ВАК:

1. ТрухинВ.Н., Зиновьев H.H., Андрианов A.B., Самойлов Л.Л., Голубок А.О., Фельштын М.Л., Сапожников И.Д., Быков В.А., ТрухинА.В. Терагерцовый когерентый сканирующий зондовый микроскоп. // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2010. Т. 5. № 4. Ст. 151-153.

2. Трухин В.Н., Андрианов A.B., Быков В.А., Голубок А.О., Зиновьев H.H., Самойлов Л.Л., Сапожников И.Д., Трухин A.B., Фельштын М.Л. Взаимодействие терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом безапертурном ближнепольном микроскопе. // Письма в ЖЭТФ. 2011. Том 93. № 3, Ст.134-138.

3. ТрухинВ.Н., Голубок А.О., Лютецкий A.B., Матвеев Б. А., ПихтинН.А., Самойлов Л.Л., Сапожников И.Д., Тарасов И.С., Фельштын М.Л., Хорьков Д.П. Диагностика полупроводниковых структур с использованием терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа. // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2011. Т. 54. № 8-9. Ст. 640-648.

4. Трухин В. Н., Самойлов Л. Л., Хорьков Д. П. Особенности рассеяния сфокусированного терагерцового излучения на зонде терагерцового ближнепольного микроскопа. // Письма в ЖЭТФ. 2012. Том 96. № 12. Ст. 899-904.

Другие публикации:

5. Trukhin V.N., Zinov'ev N.N., Andrianov A.V., Samoilov L.L., Golubok A.O., Sapozhnikov I.D., Felsztyn M.L., Bykov V.A. Terahertz coherent scanning probe microscope. // Proceedings of 35th International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2010. DOI: 10.1109/ICIMW.2010.5612469.

6. Trukhin V.N., Golubok A.O., Samoilov L.L. Probe shape effect on near-field enhancement in apertureless terahertz near-field microscope. // Proceedings of 36th International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz).

2011. DOI: 10.1109/irmmw-THz.2011.6104848.

7. Samoylov L.L., Trukhin V.N., Buyskikh A.S., HorkovD.P. Edge diffraction in the scattering of focused terahertz radiation. // Proceedings of Days on Diffraction (DD).

2012. Ст. 211-214. DOI: 10.1109/DD.2012.6402781.

Глава 1. Обзор литературных источников по теме

диссертации

Терагерцовый диапазон длин волн - это область спектра электромагнитного излучения, занимающая промежуточное положение между областью дальнего инфракрасного излучения и областью радиочастот. Со времени своего появления термин «терагерцовый» применялся в различных ситуациях. С 1970-х гг. его использовали для обозначения достигнутых к тому времени частот генерации HeNe-лазеров [31] и лазера на воде [9], для описания диапазона частот спектральных линий, охватываемых интерферометром Майкельсона [34], и для определения спектрального интервала, в котором работает детектор на точечно-контактных диодах [53]. В течение долгого времени в зарубежной литературе был распространен термин «terahertz gap» (т.е. «терагерцовая щель»), обозначавший труднодоступность данного диапазона длин волн по причине отсутствия подходящих источников и приемников. Однако с появлением эффективных источников и приемников когерентного излучения субмиллиметрового диапазона в 1990-х гг. термин «терагерцовый» начинает широко применяться для описания явлений, характерных для данной спектральной области, а упоминания о «терагерцовой щели» постепенно вытесняется сообщениями об активном развитии «терагерцовой технологии» (terahertz technology).

Литературные источники разных лет по-разному определяют нижние (0,10,3 ТГц) и верхние (3-30 ТГц) границы терагерцового спектрального диапазона [113,86,93,1]. Однако на сегодняшний день общепринятыми и устоявшимися границами считаются 0.1-10 ТГц.

Интерес к исследованиям в ТГц-диапазоне обусловлен тем, что в эту область попадают многие спектральные линии различных веществ. Частоты вращательных и колебательных переходов в различных молекулах и органических соединениях, колебаний решетки твердого тела, межзонных переходов в полупроводниках и энергетических щелей в сверхпроводниках лежат в терагерцовом диапазоне [61,45,38,82,40]. Спектральные особенности, вызванные этими фундаментальными процессами, являются уникальными для каждого вещества, что позволяет

дифференцировать объекты по их спектрам, исследовать протекающие в них процессы и открывает обширные возможности для разнообразных применений в промышленности, связи, химии и медицине, в астрономических наблюдениях, диагностике плазмы и при решении различных спектроскопических задач [93,7,99].

Размеры объектов таких исследований могут отличаться на многие порядки величины: от миллионов километров при исследованиях скоплений межзвездного вещества до единиц нанометров при изучении биологических процессов и химических реакций. Для наблюдений крупных объектов, размеры которых превышают длину волны терагерцового излучения, используются методы оптики дальнего поля. Однако среди объектов, интересных для исследования в терагерцовом диапазоне, существует и ряд таких, размеры которых существенно меньше длины волны.

К ним, в частности, относятся клеточные соединения - биологические системы, состоящие из комплексов макромолекул, которые меняются во времени. Локальная структура такого биологического комплекса, как одиночная клетка, с течением времени меняется в зависимости от жизненного цикла клетки и ее состояния. Поскольку ТГц-излучение чувствительно к изменениям в колебательных модах такой системы, с его помощью возможно визуализировать и исследовать происходящие в клетке сложные молекулярные взаимодействия. Также важно отметить, что биологические молекулы (например, белки) функционируют в водной среде, а ТГц-излучение сильно поглощается водой. Вода на границах с воздухом, твердым телом и мембраной клетки имеет различную плотность, рН, ориентационный порядок и т.п. Такие специфические вариации свойств воды можно исследовать при помощи ТГц-спектроскопии [7,57,33,19].

Другим не менее интересным объектом исследования являются полупроводники, у которых поглощение в ТГц-области связано с фононными колебаниями и наличием свободных носителей. В частности, на оптические характеристики в этой области спектра большое влияние оказывают параметры легирования полупроводников [38,81], что объясняет интерес к их исследованию не только с точки зрения фундаментальной физики, но и для отработки технологии производства полупроводниковых элементов. Размеры таких элементов при

современном уровне развития технологии имеют порядок десятков нанометров, что, очевидно, существенно меньше длины волны ТГц-излучения.

Основная проблема при изучении объектов таких размеров заключается в необходимости локализовать результат взаимодействия возбуждающего излучения с исследуемым объектом, размеры которого существенно меньше длины волны. Общее решение заключается в применении методов микроскопии ближнего поля, основы которой были описаны еще в 1928 г. ирландцем Х.Э. Сингхом в его переписке с А. Эйнштейном и выпущенных им же впоследствии статьях.

Ближнепольная оптика ведет свое начало с попыток превзойти дифракционный предел разрешения в формировании оптических изображений. В конце 19-го века Аббе и Релей вывели условие для минимального расстояния Ах между двумя точечными источниками, при котором они все еще могут быть однозначно различены как два обособленных источника. Критерий Аббе выглядит следующим образом: Дх = 0.6Ы/Ж4, где ЫА = пзт(9тах - числовая апертура, характеристика оптической системы, п - показатель преломления окружающей среды, а втах -максимальный угол сбора оптической системы. В лучшем случае ТУА = п, что в случае с оптическими стеклами дает ИА^ 1.5 и, следовательно, Ах ~ А/3. Также важно отметить, что критерии Аббе и Релея никак не используют информацию о свойствах двух источников излучения. Кроме того, в данных критериях предполагается, что взаимодействие между светом и веществом линейно. Тем не менее, учитывая априорные знания о характеристиках возбуждения или спектральных свойствах образца, возможно превзойти дифракционный предел разрешения. К примеру, расстояние между двумя молекулами, одна из которых излучает в красном, а другая - в зеленом участке спектра, может быть измерено с точностью единицы нанометров при помощи спектральных фильтров путем пропускания излучения только от одной молекулы в данный момент времени. В этом случае разрешение лимитируется точностью измерения максимума у функции Эйри.

Пространственный спектр Ё оптического поля Е в плоскости изображения однозначно задается пространственным распределением этого спектра в плоскости

изображения посредством т.н. оптической функции переноса Й{кх,ку\г} = е±,к=г, где

К=\}2 + ' к = псо1с = п2л1 Л. Функция Н является осциллирующей для (к2 + к2)<к2 и экспоненциально затухающей для (к2 + к2}>к2. Иными словами, если

плоскость изображения достаточно удалена от плоскости объекта, то вклад спадающих слагаемых (эванесцентных полей) является нулевым. Пространственные частоты (к2+к2)>к2 исходного поля отфильтровываются в процессе его

распространения, и информация о пространственных вариациях поля высокого порядка оказывается утерянной. Потеря в процессе распространения пространственных частот, связанных с эванесцентными волнами, ведет к возникновению дифракционного предела и соответствующему ограничению пространственного разрешения (Рис. 1.1(а)).

а)

Ь)

изоораженне

и »гаража шс

изображение

и«)

Ьч н

'них

К»/

сканирование

а А

сканирование

К л

Я « >.

ооразеп

ооразец

оора зец

Рис. 1.1 — Схематичное сравнение дифракционно-ограниченной (а) и ближнепольной оптической микроскопии (Ь,с). Изображение из [80]

Идея микроскопии ближнего поля заключается в сохранении пространственных частот, связанных с эванесцентными полями, и увеличении за счет этого ширины пространственнго спектра. Для увеличения спектра пространственных частот необходимо включить в рассмотрение эванесцентные волны с волновым числом

\ = т^к] +к2 >к. Эти волны не могут свободно распространяться и, следовательно, не

могут быть направлены к образцу посредством стандартных оптических элементов, т.к. они привязаны к поверхности вещества или материальных структур. Значит, для расширения пространственного спектра необходимо некоторое устройство, расположенное в непосредственной близости от образца, которое могло бы эти волны передавать. Таким устройством может стать локальный детектор-зонд, выполненный в виде либо очень маленького отверстия в металлическом экране, либо в виде освещаемой частицы (Рис. 1.1(Ь,с)). Как следует из Рис. 1.1(Ь,с), в ближнепольной оптической микроскопии локальный зонд обеспечивает ограниченный поток фотонов между зондом и поверхностью образца. Зонд сканирует поверхность образца, а в предустановленных положениях (х, у) зонда удаленный приемник регистрирует оптический отклик. Данным способом может быть зарегистрировано оптическое контрастное изображение.

Рис. 1 2 — Пример одной из первых ближнепольных оптических линий развертки, полученной 22 октября 1982 г. в исследовательской лаборатории компании 1ВМ в группе Дитера Поля на

Первое экспериментальное подтверждение ближнепольной микроскопии, оперирующей электромагнитным излучением, было проведено Эриком А. Эшем и Г. Николсом в University College, в Лондоне. В опубликованной в 1972 г. статье они использовали микроволны с частотой 10 ГГц (Х,=3 см) и апертуру 1.5 мм для формирования изображения алюминиевой тестовой структуры, осажденной на стеклянном держателе [8]. При расстоянии 0.5 мм между апертурой и плоскостью образца им удалось достигнуть разрешения лучше, чем А/60, что, безусловно, за

апертурном зонде

пределами дифракционного предела разрешения стандартного микроскопа. В 1982 г. первые ближнепольные оптические изображения были измерены Дитером В. Полем и его коллегами в IBM Research Laboratories (Рис. 1.2), а инфракрасный аналог был продемонстрирован позже в 1986 г. на излучении с длиной волны 100 мкм [65].

Существующие на сегодняшний день системы ТГц ближнепольной микроскопии своим появлением и развитием обязаны не только разработке методов сканирующей зондовой микроскопии. Их появление было бы невозможно без соответствующих схем генерации и детектирования ТГц-излучения. Важной частью ТГц ближнепольного микроскопа является когерентный терагерцовый спектрометр.

линейный транслятор

Рис. 1.3 — Типичная схема эксперимента накачки-зондирования с разрешением во времени.

СД - светоделитель, Дг - относительная временная задержка между импульсами накачки и

зондирования

Такой спектрометр представляет собой систему когерентного возбуждения и приема одиночных ТГц-импульсов с частотой -100 МГц [77]. В основе работы этой системы лежит техника накачки-зондирования с разрешением во времени (Рис. 1.3). Для ее реализации используется лазер со сверхкороткими оптическими импульсами, пучок которого разбивается на два: пучок накачки и пучок зондирования. Накачка вызывает в исследуемом объекте некоторый переходный процесс, который анализируется при помощи пропускания, отражения или рассеяния от того же образца второго, зондирующего, пучка. В такой системе нет абсолютной временной шкалы, все отсчеты ведутся относительно временной задержки между приходом на образец импульса накачки и зондирующего импульса. Эта задержка обеспечивается за счет изменения длины оптического пути импульса накачки при помощи специального высокоточного линейного транслятора, называемого оптической

линией задержки. Обеспечиваемые таким транслятором временные шаги, как правило, имеют порядок десятых долей фемтосекунды.

Рис. 1.4 — Схема типичной установки по генерации и детектированию ТГц-импульсов при помощи фемтосекундных оптических импульсов

В ТГц когерентном спектрометре (Рис. 1.4) в качестве задающего используется фемтосекундный лазер, луч которого делится на два пучка, один из которых проходит линию задержки и попадает на источник ТГц-излучения. Сгенерированный в результате этого взаимодействия ТГц-импульс распространяется в свободном пространстве, после чего фокусируется на приемник ТГц-излучения и вызывает в нем некоторый переходный процесс, который анализируется при помощи зондирующего пучка. Поскольку длительность зондирующего импульса существенно меньше длительности ТГц-импульса, и учитывая, что эти импульсы когерентны и приходят на детектор с определенной частотой, можно считать, что зондирующий импульс будет постоянно регистрироват