Локальная оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля для исследования оптических свойств поверхностных наноструктур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

МУЗЫЧЕНКО ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ЛОКАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ И ПОЛЯРИМЕТРИЯ БЛИЖНЕГО ПОЛЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОСТРУКТУР

Специальность 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2008

003449128

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М В Ломоносова

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор физико-математических наук, профессор

Панов Владимир Иванович

доктор физико-математических наук, профессор

Яминский Игорь Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор

Бахтизин Рауф Загидович

Физический Институт имени П Н Лебедева (г Москва)

Защита состоится " 23 " ОКТЯБРЯ 2008г в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 501 001 бб в Московском государственном университете имени M В Ломоносова по адресу 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет, аудитория 5-19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени M В Ломоносова

Автореферат разослан " 19 " СЕНТЯБРЯ 2008г

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501 001 66 Доктор физико-математических наук

Ершов А П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Успехи современной микро/нанозлсктропики и иапофотоипки од ,и-руются на фундаментальных исследованиях в области физики поирмю сти твердого тела Прежде всего огромные успехи в этой обчлетн с ил з, 1111,1 < бурным развитием методов исследования поверхности (вп ють до атмпых масштабов), которые позволяют обнаруживать новые )ффокты деы и,но изучать и в дальнейшем использовать их в прикладных цсчя\ Скапнрх ю-щая зондовая микроскопия (СЗМ) [1, 2, 3] за последние 20 лет ста 1,1 о шпм из наиболее широко используемых современных методов исследования морфологии и локальных физических свойств поверхности твердою че 1а По исключительной особенностью стала перазрушающая природа измерении и сверхвысокое пространственное разрешение Изобретение в 1982 1 первого туннельного микроскопа [1] и последующая нагчядная демопс [рация возможности оперировать отдельными атомами [4] и молек\ 1ами |1] да ш сильный толчок развитию целого направчення в физике по 1\ чш.ик 1 1 последствии название физика наносистем (ФН)

ФН и физика поверхностных явлений в настоящее время яв шю ц я одними из наиболее интенсивно развивающимися раздечамп па\кп Пммию на фундаментальных исследованиях в области физики поверхпех ш тр-дого тела основаны успехи современных микро- и панотчектроппки < нпп-троники, нанофотопики, напоприборостроения, методов обработки и получения наноматериалов и тд В силу этого иссчедовапне разнообразных электронных, атомных н молекулярных процессов, происходящих па поверхности твердых тел, является актуальной задачей

Немаловажное значение сегодня отводится изучению взаимодеж щпя нанообъектов с электромагнитным излучением оптическою дпаиа ,опа В последние годы появились устройства, принцип работы которых основан на взаимодействии электромагнитного излучения с объектами сравнимыми или даже меньшими длины волны этого излучения Понимание и вп ализацпя процессов, происходящих при взаимодействии световой ьо шы ( объектами, размеры которых значительно меньше чем длина волны (и м очень важно как с фундаментальной точки зрения, так н с прик мдпоп Перечень задач, связанных с изучением взаимодействия излечения оптического диапазона с наноструктурами, весьма широк и вкчючает в себя такие задачи как создание оптических накопителей информации со сверхвысокой плотностью записи информации (вплоть до 1012 бит/см2) \ правление молекулярными машинами с помощью оптического пз ¡учения создание оптических компьютеров, фотонных кристаллов и раз шчпых фотонных устройств в наноэлектронике Все эти задачи требуют дегачьно-го понимания процессов, происходящих при взаимодействии света с наноструктурами Однако традиционная оптическая микроскопия, основанная на использовании линз, имеет существенное ограничение на разрешайте ю способность, ограниченную дифракционным пределом Б > 1 ¿2 А, 2и где Л - длина волны света, п - показатель преломления среды Д ш (чип

во ui оптического диапазона предельное разрешение составляет порядка 300 — 500 им Идея преодоления дифракционного предела была предложена Сгнихом (Е Н Synge) еще в 1928 году [6], однако реализация этой идеи cid м возможна лишь спустя многие десятилетия В 1972 году в экспериментах с электромагнитным излучением микроволнового диапазона [7] бы 1.1 ¡.»фиксирована разрешающая способность А/60 А в середине 80-х юдов бычо продемонстрировано сверхразрешение и в оптическом диапазоне частот Достигнутая разрешающая способность составила Л/20, и ло направ юнис исследований получило название - сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (СОМБП) ¡3, 8, 9] На сегодняшний кчть микроскопия ближнего оптического поля является одним из наиболее перспективных направлений исследования локальных оптических свойств поверхности, возникший в результате развития сканирующей туннельной п аюмно-епчовой микроскопии (СТМ, ACM) [1, 2]

СОМБП позволяет получать информацию о различных (в том чис-ie спектральных и поляризационных) оптических свойствах напообъектов с разрешением, значительно превышающим дифракционный предел Воз-чожпоаь \ 1\чшспня на порядок и более локальности оптических методов нее чедовапня поверхности весьма существенна при решении широкого кр\ i а фундаментальных и прикладных задач Анализируя взаимодействие свега с неоднородной поверхностью методами классической оптики, прихо-uiic/i усреднять влняппе многих факторов (дефектов, примесей и т д ), находящихся в пределах облучаемого участка Применение СОМБП позволяет прсодочеть это ограничение и исследовать оптические свойства отдельных объектов папометрового размера Кроме этого, СОМБП предоставляет \ ппкальпые возможности по изучению локальной структуры электромаг-пшпши поля (ЭМП), включая его пространственную структуру, поляри-,ацпоппые и спектральные свойства в окрестностях наноструктур с разрешением бо ice чем па порядок превышающим дифракционный предел

Нес мотря на то, что в последнее десятилетие метод интенсивно раз-ипвлекя мпошс возможности остаются до сих пор не раскрытыми и тре-бмог более детального изучения Так, прежде всего, требуют понимания фундаментальные основы процессов формирования СОМБП изображения п выявчоппя взаимосвязи структуры поверхности с ее локальными оптическими свойствами Для фундаментального понимания и корректной интерпретаций получаемых результатов необходимо также учитывать насколько само зондирующее острие влияет на распределение ЭМП вблизи исследуемых объектов В настоящее время в мире широко изучаются возможности СОМБП в области сверхплотной записи информации, в том числе с ис-110 1ьзовапнсм фотохромных люминофоров и магнитных пленок в качестве mu nie ieii В связи с вышеизложенным работы, направленные на углубление понимания фундаментальных процессов, лежащих в основе СОМБП, п работы направленные на создание новых экспериментальных установок для комплексного исследования оптических свойств поверхностных наноструктур методом СОМБП, являются весьма актуальными

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка и ссъддппо пм-гностнчсской аппаратуры СОМБП с субдлшшовочиовым оптическим пространственным разрешением для комплексного исследования опинкчкпч (включая спектральные н поляризационные) свойств субмнкро и наноструктур в различных режимах работы СОМБП, разработка мото шкн и л -чепия локальной трехмерной простраиствснпой структуры ЭМП п окре( 1-ностях наноструктур с помощью СОМБП, разработка методов и л чеши локальных поляризационных и люминесцентных свойств микро- п п,ню-объектов с помощью ближнеполыюй сканирующей микроскопии, рд шптпе методов анализа люминесцентных, нслнпсйпо-оптнчсскнх п мд! пптооптп-чеекпх параметров элементов оптической обработки информации с разрешением, много меньшим оптической длины волны (разрешение ви ють до 30 им при длине волны ~ 530 им)

В соответствии с целями исследования были поставлены г юд\ ющпе основные задачи

1 Разработка и создание диагностической аппаратуры СОМБП \ки\ п.-пой конструкции для исследования спектральных, лкшипссцепшич и поляризационных оптических свойств наноструктур позво [яюшеп проводить комнчскспое исследование оптических свопств обьокюь с характерными размерами много меньшими длины световой ы> пил Важным свойством диагностического комплекса СОМБП до гжпа была стать возможность реализации в одном приборе 11-гп раз шчиыч по своим физическим принципам режимов работы СОМБП г,к почдл аиертурпый и безапертурный вариант СОМБП

2 Разработка и создание датчика контроля силы взаимо юпетвп ( ,оц-дирующего острия с поверхностью, обеспечивающею в режиме сканирования разрешающую способностью по высоте не хуже О Л им с силой взаимодействия зондирующего острия с образцом не бо ко 0 5 нН, что позволяет исследовать биологические объекты бе* пч ра >-рушения

3 Разработка методики изучения локальной трехмерной проир.ш-ствснной структуры ЭМП в непосредственной близости от пи 1ед\е-мых объектов (на расстояниях 2 С А, где Л - дчппд во шы п , [\чеши) с помощью СОМБП, выявление особенностей этих распределений ЭМП и учет особенностей формирования трехмерных оптических СОМБП изображений

4 Исследование методом СОМБП кластеризации люминссцсипют красителя в полимерной пленке с оптическим разрешением, мною меньшим длины волны излучения накачки и длины вочны и > 1\ чепия люминесценции, а также изучение люминесцентных свойств сферических стеклянных наночастиц (размером 20-100 нм) окрашенных люминесцентным красителем

") Ibvioiine трехмерного распределения ЭМП вблизи искусственно со-riaimux субмикронных диэлектрических и металлических структур, представляющих собой периодически расположенные полимерные и метаччпзироваиные наиоцилиндры, для выявления физических ме-\апизмов взаимодействия оптического излучения с микро- и наноструктурами

О Разработка методики получения с помощью СОМБП информации о шкальном распределении магнитного кругового двойного лучепре-юмления в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов как в статическом режиме, так и в динамическом режиме с модуляцией плоскости поляризации зондирующего луча

7 Нее чедованис поведения ортогонально поляризованных компонент ЭМП вблизи субмикронных (d ~ 50 — 150 им) отверстий, сформированных в металлической пленке алюминия

Научная новизна

• Впервые создан комплекс диагностического оборудования модульной конструкции (разделенный по принципу сканирования) для ком-п чеке пою исследования абсорбционных, спектральных, люминесцентных н поляризационных оптических свойств систем пониженной размерности с оптическим разрешением ~ 30 им, реализующий все известные режимы работы СОМБП

• Впервые с испочьзованисм поляризационного СОМБП проведено плчопне пространственного распределения ортогонально поляризо-ианпых компонент электромагнитного поля вблизи одиночной апертуры диаметром d = 100 нм (сформированной в пленке А1 толщиной 75 нм) и показано качественное различие в локализации ближнеполь-пы\ составляющих этих компонент

• Методом СОМБП проведено экспериментальное исследование люми-пес цейтнот красителя в полимерной пленке с оптическим разрешением D ~ 30 нм Впервые показано, что краситель располагается в плепке-иоситсле ие равномерно, а обладает свойством кластеризации i характерным масштабом 150 нм

• Предложена методика изучения трехмерного распределения электро-магнптною ноля вблизи объектов нанометровых размеров Для демонстрации больших потенциальных возможностей предложенного метода исследования проведено изучение трехмерного распределения ЭМП вблизи одиночных наноструктур, представлявших собой периодически расположенные наиоцилиндры с коническим основанием

• Впервые методом СОМБП обнаружен эффект формирования ЭМП со спиральной структурой, возникающих при прохождении через полимерные наиоцилиндры, покрытые тонкой металлической пленкой

• Рассмотрена теоретическая модель, описывающая возникновение вихревых оптических структур, причиной которых явчяется во ¡б\ж-денис циркулярных поверхностных плазмопов

Научная и практическая ценность

В настоящей работе разработан и создан диагностическим коми lew СОМБП, который послужил прототипом для создания коммерческою прибора для исследования оптических свойств поверхности и поверхностных наноструктур методом СОМБП Коммерческий вариант прибора поилв-леп по межгосударственному соглашению в Международный Ъиериын Центр (МЛЦ) г Братиславы, Словацкая Республика (Кончракт N"1 ()<)-В от 18 06 1999 между МЛЦ МГУ и МЛЦ г Братиславы)

Разработанная методика изучения трехмерного распредечеппя -)МИ может использоваться для исследования как фундаментальных пропек он взаимодействия оптического излучения с наноструктурами так п j \л контроля и анализа оптических свойств элементов напоэлсктроникн таких как лазерные диоды, элементы оптической памяти, фотонные крнста i 1ы и ip Обнаруженный эффект формирования оптических вихревых рл< нре-делепий ЭМП вблизи металлизированных объектов субмнкронною масштаба и разработанная теоретическая модель дают новые ф\ ндачепы и>-ные знания об особенностях взаимодействия оптического из 1\чония ( объектами, масштабы которых сравнимы или меньше длины волны оптического излучения

Впервые показана возможность анализа поляризации оптнчеч мл о ib-лучення, провзаимодействовавшего с исследуемым объектом в режиме с обирающего СОМБП па примере визуализации мапштпоп домеппоп ( ip\ к-туры в пленках ферритов-гранатов, что позволяет применять >т\ м 1чщнм для исследования магнитооптических эффектов в тонких и юнка

Положения, выносимые на защиту

1 Создание комплекса диагностического оборудования СОМБП дчя пс -следования абсорбционных, спектральных, люминесцентных и по i>i-ризационных оптических свойств наноструктур с пространственным оптическим разрешением D < 30 им, значительно превышающим дифракционный предел, и возможность реализации всех изьесчпых па сегодняшний день режимов работы СОМБП (11 режимов работы включая апертурные и безапертурные режимы СОМБП)

2 Развитие метода поляризационного СОМБП и изучение про< ipan-ствепного распределения ортогонально поляризованных компот ш электромагнитного поля вблизи апертур субдчшиювочнового размера (d = 100 им), сформированных в металлической пленке

3 Разработка методики трехмерного картирования ЭМП вб ш ¡и о ш-почных или упорядоченных субмикро и наноструктур Ппчеппе трехмерного распределения ЭМП вблизи одиночных папостр\ кч\ р представлявших собой периодически расположенные но шмерш ir п металлизированные наноцилиндры

4 Обнаружение методом СОМБП эффекта оптического вихря вблизи метачлизпроваиных объектов субмикрониого масштаба

г) Изучение методом СОМБП магнитного кругового двулучепреломле-1ШЯ Эффекта Фарадея) в тонких пленках Bi-содержащих ферритов-I рапагов с помощью анализа поляризации, прошедшего через образец in учения и локально собранного апертурным зондом

Обоснованность и достоверность результатов

Ро,> Ibra I ы, представленные в диссертации, получены на основе мио-ткраню повторенных экспериментов, проведенных на современном научном обору ювашш с использованием современных методов обработки экспериментальных данных Экспериментальные данные сравнивались с теоре-IнчечКИМ11 расчетами, основанными на адекватно выбранных физических моде- ш\ анализируемых процессов, а так же с результатами других групп nie 1едователей Результаты этих экспериментов неоднократно обсужда-нк ь па семинарах и докладывались на специализированных конференциях по проб 1емдм связанных с тематикой диссертационной работы Большая час il, рез\ чьтатов опубликована в международных и российских научных ж\ риалах Это позволяет считать все полученные результаты обоснованными н достоверными, а так же полностью отвечающими современному мировом) уровню исследований Большинство представленных результатов яичяются новыми и получены впервые

Апробация работы

Результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на Россппских и международных конференциях, основные из которых всероссийское совещание "Зондовая микроскопия - 1999, 2000, 2001", Нижний Пошород Россия 1999, 2000, 2001, 8-й, 11-й, 13-й и 14-й международные симпозиумы "Nanostructures Physics and Technology", Санкт-Петербург, Россия 2000, 2003, 2005, 2006, российско-французский семинар "Les Diiectioiib Modernes en physique laser spectroscopie, les effects quantiques et 1 optique atomique les rcprentations optiques et l'information", Владимир-(Чздачь Россия, 2001, 11-й международный семинар "Laser Physics \\ oikihop (LPHYS'02)", Братислава, Словакия, 2002, 1-й международный па\ чпип семинар "Optical Micro- and Nanotechnologies"(OMaN-l), Санкт-Hei epojpr Россия, 2002, международный симпозиум "Intensive Laser Action and Technological Applications"(ILATA-III) / "X Int Conf Laser-assisted Miuo- and Nanotechnologie?"(LAM-X), Санкт-Петербург, Россия, 2003, международная конференция "Micro- and Nanoelcctromcs"(ICMNE-2003, 1CMNE-2005), Звенигород, Россия, 2003, 2005

Публикации

По теме диссертации опубликовано 33 научные работы из которых 18 - ¡езпсы докчадов на конференциях и 15 - статей в ведущих российских и -.лр\бежных реферируемых журналах "Письма в ЖЭТФ", "Наукоемкие техпо'гогни" "International Journal of Nanoscience", "Applied Physics В",

"Physics of Low-Dimcnsional Structures", и др (список основных п\ б ткани11 приведен в конце автореферата)

Личный вклад автора

Определение цели работы и выбор методов исследования осмшч м,-лспы автором совместно с д ф -м н профессором В И Пановым

Все результаты, представленные в диссертационной работе, по i\ чепы автором лично, либо при его непосредственном участии

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, закчючеппл п < шк ка литературы Объем работы составляет 169 страниц, включал 71 рп< \ пик Список литературы содержит 129 наименовании

Во введении дастся общая характеристика диссертации обо; поьа-на актуальность темы, сформулированы цели работы, па\чпая повп >па и практическая ценность полученных результатов, перечне юны основные положения, выносимые па защиту, приведены сведения об апробации результатов, основных публикациях, объеме и структуре работы

В главе 1 рассмотрены основные физические принципы ночожеппые в основу метода СОМБП, показано преимущество методов построения оптического изображения объектов, использующих ближнее оптическое по ie по сравнению с классическими методами В параграфе 1 1 рассматриваки-ся особенности построения дальнсполышх и блнжпенольныч оптических изображений с точки зрения фурье-оптики Отмечено, что с помощью оптической микроскопии ближнего поля становится возможным прсо m к ть дифракционный предел, лимитирующий разрешающую способность к ы<-сичсских оптических приборов Показано, что па ссгодпяшппп день макс п-мальное оптическое пространственное разрешение, достш н) тое с помощью СОМБП, составляет 1 нм [10] при длине волны используемою пз пчешы 633 нм

Структура электромагнитного поля субдлшшовочновоп аперпры как ключевого элемента СОМБП, рассмотрена в параграфе 1 2 На основании решения электродинамической задачи Бете [11] показано что ,аыкп-мость интенсивности оптического излучения, прошедшего через аперч\р\ (диаметром d <С А) в металлическом экране, экспоненциально завис m oi расстояния до экрана, приведены теоретические и экспериментальные подтверждения данного факта В параграфах 1 3, 1 4 рассмотрены вопросы касающиеся пространственной разрешающей способности оптпческоп микроскопии ближнего поля, и показано, что сверхразрешение не вс г\пасч в противоречие с принципом неопределенности Гспзеибср1Д

Далее, в параграфе 1 5 рассмотрены все известные на сеюдпяпшпи день механизмы формирования СОМБП изображений в частности рассмотрены различные схемы работы СОМБП как в диертурпыч так к в безапертурных режимах работы Отмечены физические задачи, которые могут быть решены с помощью одного из рассмотренных режимов работы

(а) Фотоприемник (fj)

Рис 1 Схел1атическое изображение устройства СОМВП модульной конструкции, функционально разделенного по принципу сканирования (а)-схема функционирования СОМБП со сканированием, образцом, (б)-схема функционировании СОМБП со сканированием зондом

С ОМЬП а так же отмечены основные преимущества и недостатки каждой i\e\iw работы СОМБП

Большое внимание в данной главе уделено возможностям СОМБП нрп 1кс юдованнн оптических свойств наноструктур с разрешением значите чыю превышающим дифракционный предел, в том числе методом ло-ка 1ЫЮП оптической поляриметрии сверхвысокого пространственного разрешения Обоснована необходимость использования комплексного подхода к нее чедованню оптических свойств наноструктур для взаимного дополнения информации о таких свойствах

В заключении данной главы рассмотрены виды взаимодействия зон-дирмощего острия с поверхностью и рассмотрены наиболее важные особенности построения датчиков квазитрения, основанных на силах поверх-пос гною трепня для использования таких датчиков в качестве измерителя < и iu взаимодействия зонда с поверхностью в СОМБП

Глава 2 посвящена описанию разработанного и созданного диагно-с лнк-скош комплекса СОМБП модульной конструкции для исследования абсорбционных, люминесцентных и поляризационных оптических свойств с метем пониженной размерности с оптическим разрешением ~ 30 им

Опыт экспериментальной работы в области СЗМ показывает, что широта задач, стоящих перед сканирующей оптической микроскопией ближнею но 1Я требует использования различных оптических конфигураций, изменение которых должно осуществляться, по возможности, достаточно просто и быстро Обеспечение возможности введения в оптическую схему юно шитсчьпых элементов, таких как модуляторы, поляризаторы, компот а горы п тд а также требования к простоте замены источников и де-

Рис. 2. Общий вид диагностического комплекса СОМБП. (а)-оптико-механический м.одуль со сканированием, зондом.; (б)-оптико-м.еханический модуль со сканирования образцом в составе металлографического инвертированного оптического микроскопа МИМ-7.

текторов излучения приводят к необходимости использования мин: п.пи] м принципа при конструировании установок для СОМБП.

Применение в ряде оптических схем СОМБП стандартных оптических устройств, а также образцов больших размеров делает крайне желательным использование схемы со сканированием, осуществляемым нуп-м перемещения зонда. Кроме того, такая схема представляется оптимальной при реализации режима фотонной сканирующей туннельной микроскопии (ФСТМ). С другой стороны, в случае применения высокоапертурп.....опирающей оптики (например, при регистрации слабых сигналов люминесценции) и, особенно, при использовании пространственной фильтрации (для увеличения отношения сигнал/шум), более оправданным является применение схемы, в которой все оптические элементы неподвижны. В -лом случае сканирование должно осуществляться путем перемещения обра а ¡а. Таким образом, целесообразным является создание СОМБП с модульным принципом построения, в котором имеются возможности осуществлять сканирование как зондом, так и образцом. Кроме того, модульность коне грук-ции СОМБП позволяет реализовать практически все известные режимы работы в проходящем/отраженном свете и в комбинированном режиме, при котором апертурный зонд используется как источник и коллектор излучения одновременно. Общие принципы, положенные в основу разработанного модульного СОМБП. показаны на рис. 1. Такое разделение существенно расширяет область применения созданного комплекса СОМБП. при ком конструкция модулей остается простой, эффективной и надежной.

Общий вид оптико-механического модуля СОМБП со сканированием зондом показан па рис. 2(а). Процесс сканирования осуществляется зоилом с помощью трубчатого ньезоманипулятора точных перемещений, при -л ом

обра зсц ос тастся неподвижным и характер взаимодействия образца с опти-чес кпм пзл\ чеписм остается неизменным на протяжении всего эксперимеп-ia что весьма удобно для реализации режимов работы, когда в процессе физического эксперимента ключевым условием является необходимость сохранения неизменным взаимного положения волнового фронта оптической накачки п исследуемой поверхности Одной из таких задач является задача пз\чопня трехмерного распределения ЭМП вблизи поверхности при взаи-\ю [епетвпп оптического излучения с поверхностными наноструктурами и, в частности при работе в режиме ФСТМ

Основные характеристики и возможные режимы работы созданного бчпжнспочыю-оптичсского микроскопа со сканированием зондом

• максима п>иая область сканирования 30x30x3 мкм3,

• кон\ро и> расстояния зонд-образец пьезоэлектрический датчик квазитрения,

• разрешающая способность по нормали к поверхности 0 3 нм,

• tpe сияя (il la нмимодсйсхвия зонда с поверхностью О 4 нН,

• мши оптических зондов апертурные и безапертурные оптоволоконные зонды

• Основные оптические конфигурации

- рлбо(А 1 режиме сканирующего фотонного туннельною микроскопа,

piooui па npodci (накачка с помощью классической оптики и сбор излучения н шимс ¡ровым коллектором, и наоборот),

- р (боы на отражении (накачка с помощью классической оптики и сбор излучения II 1|Ю\|( ipoliLIM ко I 1скюром, и наоборот),

- комбнпирор шнып режим работы (накачка и сбор осуществляется одним и тем же jon [![])> К)иi.nм острием с последующим выделением информационного сшнала)

Общий вид СОМБП со сканированием образцом в составе инвертированною металлографического микроскопа МИМ-7 представлен на рис 2(6) В нем сканирование осуществляется только образцом, при '»том зонд остается неподвижным Условие неподвижности зондирующего ос 1рпя в процессе сканирования позволяет реализовывать режимы работы СОМБП с высокоэффективным сбором оптического излучения с помощью мпкрообъектива, а также позволяет осуществлять простраиствен-п\ю фильтрацию собранного излучения для повышения соотношения сиг-па I ш\м Эта схема дает определенные преимущества для решения физи-чеч кпх задач 1де интенсивности излучения сравнительно малы (люминесценция единичных молекул, поляризационный анализ), и эффективность сбора полезного излучения играет ключевую роль Кроме того, интеграция СОМБП н классической микроскопии позволила осуществлять выбор (в преде чах 10 х 10 мм2) исследуемого методом СОМБП участка поверх-пос гн и применять все методики классической оптической микроскопии в с очетдпип со сверхразрешающей СОМБП

Отчнчптельиой особенностью разработанного СОМБП со

сканированием образцом является манипулятор точных перемещений, который представляет собой коробчатый бнморфный пьс-зомашшулятор (рис 3) В манипуляторе использованы биморф-ные пьезоэлементы, состоящие из пар тонких (0 3 мм) пьезокера-мических пластин с сонаправлсн-ной поляризацией, приклеенных к общему центральному электроду, представляющему собой титановую пружину специальной формы В отличие от манипуляторов на основе пьезокерампчеекой трубки или триподпого манипулятора, коробчатый биморфпый манппуля- Рис 3 Схематическое июбрпипние ТОр ИМСеТ более удобную КОИСТруК" сканирующего узла па основе биыо]н[>ныi ЦИЮ Он практически ПЛОСКИЙ, ВЫ- пъезоэлементов 1,8,4-пъеюбиморфы <)ля сотой порядка 10 мм, с возможностью подвода короткофокусных объективов и возможностью доступа к поверхности образца иод

большими угЛЯМИ лятора, 9- м икр о объекту в

Основные характеристики и возможные режимы работы созданного ближпеполыю-оптичсскоЕо \шк-роскопа со сканированием образцом

• максимальная облас гь сканирования 50x50x6 мкм',

• контроль расстояния зонд-образец пьезоэлектрический датчик квазитролмя

• разрешающая способность по нормали к поверхности 1 0 нм,

• средняя сила взаимодействия зонда с поверхностью 0 4 нН,

• гипы оигичсских зондов апертурные и безапертурные оиюво юмлии к он и i

• Основные оптические конфигурации

— работа на просвсг (накачка с помощью классической онгики и сбор и i i\ ч< mu ианометроиым коллектором, и наоборот),

— работа на просвет (с высокоэффективным сбором ип>чсмия с помощью микрообъектива Накачка ближним полем, сбор излучения апср1\рпым зон 1лм)

— работа на отражении (накачка ближним полем, (бор imyn ния с помоиii.it> к i и си ческой ошики, и наоборот),

— комбинированный режим работы (накачка ближним полем, сбор из i\ к шм < \б-длинноволновым коллектором)

Заключительная часть главы посвящена разработке н созданию им-чика контроля силы взаимодействия зондирующего острия с поверхностью (датчик сил квазитрения) для СОМБП

перемещения вдоль осей A, Y Z (оотшт-сгпвечно, 2-держатеаь 061x1 ща i-оГ/*/ и ц 5-дерэюателъ зоидируюхцего о<трчн ч ка мертона, 6-кварцевый резонатор камертонного типа, 7-крепяепие iгъекшгшшп/-

Датчик сил квазитрения является одним из важнейших элементов си-сгомы с чсжопия за расстоянием зонд-поверхность, которой отводится великая роль в процессе формирования ближнспольного изображения, по-( ко 1ьк\ от точности позиционирования анертурного и безапертурного зондирующею острия зависит качество получаемого оптического изображения Уменьшение силы взаимодействия зондирующего острия с поверхно-( гью существенно расширяет возможности применения СОМБП особенно при исследовании биологических объектов

Датчик силы квазитрепия был разработан иа основе кварцевого ка-мортошкло резонатора (ККР) ККР представляет собой кварцевый камертон общей длиной 4 5 мм, толщиной w = 0 3 мм, длиной ветви ка-мерюпа L = 3 мм и шириной ветви камертона t = 0 4 мм Статиче-с кип коэффициент жесткости одной ветви ККР составляет около к = 13 9 10J Н, м ККР приклеивается к держателю, а зондирующее волокно приклеивается к одной из ветвей ККР параллельно последней Де-нкгпроилпне пьезоэлектрического сигнала ККР осуществляется предвари К'чьпым \снлителем, выполненным по схеме дифференциального LC-pojoiiaiiciioio преобразователя-усилителя заряда с внутренней добротно-с I мо Q | = 200 Добротность Qq свободного ККР составляет более 5000 при резонансной частоте /о = 32768 Гц В результате приклеивания к одной ьегвп ККР зондирующего острия наблюдается смещение резонансной частоты /о в сторону низких частот, а также одновременное уменьшение добротности <Зо Типичные значения резонансной частоты ККР с прикле-епым оптическим волокном составляют = 31 5 — 32 5 кГц При этом добротность уменьшается для резонансного пика на частоте, близкой к /и ц) вечнчппы Qp = 300 — 1500 Чувствительность ККР с резонансным ирс образователсм-уснлителем, определенная путем независимого детектирования амплитуды резонансных колебаний ветви ККР с приклеенным зон-дщп ющпм волокном с помощью оптической схемы, составила 5;с = 6 В/нм с in ре зонАнс а в районе /() Так например, при амплитуде колебания кон-па ,ондпр\ ющего острия xq = 5 А соотношение сигнал/шум составляет S/N = U[)/U„ = 130 Для оценки минимальной силы квазитрения Fsf, при которой возможна устойчивая работа созданного датчика, использо-ъа ни простой способ, предложенный в работе [12] Оцененная по формуле Fs/ = (1 - Un/U)hx[)/Qp\/3 минимально-возможная сила детектирования ия созданною датчика составила 0 4 нН для соотношения стартовой и \ держнвдемой амплитудой колебаний зондирующего острия Uq/U = 95%

Представченные на рис 4(6) результаты изучения топографии све-/ксч ко Ютой поверхности (0001) высокоориентированиого пиролитическо-ю 1 рафпта (ВОПГ) демонстрируют высокую разрешающую способность сен (аннон системы Результаты получены с использованием модуля со сканированном зондом (рис 4), работавшего в режиме атомно-силового микроскопа В качестве зондирующего острия использовалось заостренное оптические волокно Из рис 4(6,в) видно, что чувствительность системы контроля расстояния между зондом и образцом лучше, чем 0 3 нм и

достаточна для разрешения моноатомных стунеией на поверхности ВОПГ. Это, в свою очередь, достаточно для реализации всех известных методик СОМБП, включая без-апертурпую СОМБП. В то же время сканирующая система наряду с высокой разрешающей способностью обладает большим динамическим диапазоном и способна реализовывать растры сканирования от сотен нанометров до 30 мкм (в случае СОМБП с.о сканированием зондом рис. 4(а)) и 50 мкм (в случае СОМБП со сканированием образцом), при этом сохраняя необходимое топографическое разрешение, что в свою очередь дает возможное гь одновременно сочетать в одном приборе преимущества методики СОМБП и атомно-силовой микроскопии.

В заключении главы приводится ряд оригинальных экспериментальных результатов, полученных с помощью созданного СОМБП. в которых продемонстрирована высокая разрешающая способность каждого in модулей СОМБП и продемонстрирован широкий спектр возможностей по использованию созданного диагностического комплекса СОМБП.

Глава 3 посвящена исследованию трехмерного распределения ЭМП методом СОМБП вблизи наноструктур, а так же изучения локальных люминесцентных свойств топких полимерных пленок с внедренным красителем.

В начале главы описывается разработанная и реализованная лик. дика трехмерного картирования распределения интенсивности ЭК ГП над исследуемыми объектами. Описан ряд экспериментов по изучению локального трехмерного распределения ЭМП вблизи искусственно созданных периодических и неупорядоченных наноструктур, состоящих из полимерных и полимерно-металлизированных паноцилиндров (рис. 5(а)).

В первой серии экспериментов изучалось взаимодействие поляризованного оптического излучения с полимерными ианоцилипдрамп. Для этой цели использовался модуль СОМБП со сканированием зондом и плоско поляризованное лазерное излучение с длинной волны А = 532 им и мощностью 10 мВт. В качестве субдлинноволнового коллектора оптического из. iy-

2.3нм

Рис. Топографические изображения поверхности заготовки стандартного DVD диска-(а) и поверхности (0001) ВОПГ-(Ь). Изображения получены с помощью датчика силы квазитрения в составе .модуля, со сканированием зондо.м.. (в)-сечение вдоль направления, указанного стрелкой.

Рис. 5. Изображение полимерного наноцилиндра полученное на электронном растровом, микроскопе-(а), и СОМБП изображение трехмерного распределения интенсивности ЭМП вблизи полимерного наноцилиндра- (б-ж). СОМБП изоб-ралссние представляет собой набор двумерных распределений интенсивности на. заданных расстояниях от вершины наноцилиндра: (б)-5 нм.; (в)-20 нм; (г)-¡00 нм.; (д)-ЭОО нм.; (ж.)-ЮО нм. Длина волны накачки А = 532 нм. СОМБП изображение получено в режиме сбора оптического излучения апертурпым зондом.

чония при изучении трехмерного распределения ЭМП использовался апер-туриый зонд на основе одномодового оптического волокна. Образцы были изготовлены методом двойной репликации с кремниевой матрицы, полученном с помощью электронно-лучевой литографии и представляли собой массивы полимерных наноцилиндров, расположенных друг от друга па расстоянии 10 мкм. Полимерные наноцилиндры высотой 980 нм и диаметром оОи им были сформированы на гладкой полимерной подложке толщиной 0.6 мм. Возбуждающее слабо расходящееся излучение направлялось нормально к поверхности со стороны противоположной той, на которой располагались наноцилиндры. проходило через прозрачную подложку и, взаимодействуя с наноцилиидрами, формировало стационарную картину распределения ЭМП вблизи наноцилиндров. Результаты, полученные с помощью методики изучения трехмерного распределения ЭМП в заданном объеме над вершинами наноцилиндров представлены на рис. 5(б-ж). Изображения представляют собой плоские двумерные распределения интенсивности ЭМП. полученные в результате сечения по плоскости 3-х мерного распределения ЭМП на выбранных относительно вершины наноцилиндра высотах: о им: 20 нм: 100 нм: 300 нм; 700 нм, рис. 5(б-ж) соответственно. Для полимерных пнпоцплппдров наблюдалось значительное усиление(до 10 раз от-

носительно интенсивности падавшего излучения) локальною ЭЫП вблизи вершины напоцилиндра, зависящее от высоты зондирующею острия над поверхностью напоцилиндра

Полученные с помощью СОМБП экспериментальные рез\ |ьтагы сравнивались с результатами расчетов распределения ЭМП, проведенных с помощью решения уравнений Максвелла методом конечных разнос Iей во времени (в иностранной литературе - Гт^е-В^сгепсе Тппс-Оотлт (РБТБ) алгоритм) [13] Метод расчета основан па прямом чнечеппом решении полной векторной системы уравнений Максвелла во времени и позволяет не только вычислить распределение световою поля, но и учесть влияние "возмущающего"действия оптического зопда микроскопа ближнею ночя В результате численных расчетов, выполненных на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им М В Ломоносова, было подтверждено полученное в эксперименте десятикратное уве шчеппе интенсивности ЭМП вблизи вершины напоцилиндра, связанное с дифракционной локализацией света внутри полимерного наиоцичипдра а также было установлено, что поле внутри напоцилиндра имес1 интерференционную структуру, образующуюся в результате отражения от ирчпею и нижнего края напоцилиндра Поле вне наиоцичипдра эксноиеициа 1ыю затухает во все стороны Сравнение расчетных и экснеримсптачьпых результатов, проведенное в диссертации, показало качественное и ко шчесгвешюе совпадение полученных результатов, что наглядно доказало возможность использования разработанной методики как надежного нпсфумепта дчя изучения трехмерного распределения электромагнитного но [я во шзн наноструктур с оптическим разрешением вплоть до десятка нанометров

Во второй серии экспериментов, проводилось исследование распределения электромагнитного поля (но такой же методике как в случае полимерного напоцилиндра) вблизи металлизированных наноцнлиндров, покрытых пленкой из золота и палладия (Аи-Рс}) толщшюн 25 им (см рис 5(а)) Металлизация осуществлялась с помощью иошю-н мзменпою напыления, что обеспечивало однородность металлическою покрытия (в частности - отсутствие эффекта оттенения, характерного для термического напыления) В процессе изучения трехмерного распределения ЭМП с помощью СОМБП вблизи металлизированных наноцнлиндров бы I впервые обнаружен эффект формирования оптического вихря, возникающего при прохождении поляризованного монохроматического света через подобные наноструктуры Типичные результаты, полученные при изучении металлизированных наноцнлиндров представлены па рис 6 Изображения представляют собой двумерные распределения интенсивности ЭМП, взятые на выбранных относительно вершины наноцилиндра высотах 20 им, 300 им, 700 им, рис 6(а-в) соответственно Вихревые структуры ЭМП наблюдались над каждым металлизированным наноцилиндром и на нобых высотах вплоть до 700 нм Спиральная симметрия ЭМП оптической частоты такого типа вблизи наноструктур наблюдалась впервые Поско гьку данный тип симметрии наблюдался при проведении измерении с разчнчпыми

Рис. 6 СО МБП изображение трехмерного распределения интенсивности ЭМП вблизи полимерного паноцилиндра, покрытого пленкой Au-Pd толщиной 25 им.. СОМБ11 изображение представляет собой набор двумерных распределений интенсивности на заданных расстояниях от вершины наноцилиндра: (а)-20 н.м.: (б)-300 гш.: (в)-700 нм.. Длина волны накачки А = 532 нм.. СОМБП изображение пол,учено в режиме сбора оптического излучения апертурным. зондом,.

алертурпыми зондами, сниральпость не может быть связана с особенностями какого-либо конкретного зонда и является особенностью, характерной для системы апертуриый зонд-металлизированный наноцилиндр.

Для теоретического описания полученных выше экспериментальных результатов рассмотрена качественная модель с использованием упрощенного подхода теории возмущений. В модели рассматривалась линейно поляризованная волна, с частотой и), падающая из вакуума по нормали к границе полубсскопечного металла, занимающего полупространство г < Z(p, tp), где р, ip и z - цилиндрические координаты, а функция = Lf(pfR) [1 + 7g(</>)] описывает плоскую поверхность с единичным выступом высотой L и радиусом R. Функция f(x) удовлетворяет условиям Цх < 1) > 0, f(x > 1) = 0, а член yg(ip) описывает отклонение формы выступа от цилиндрически симметричного. Выступ на поверхности предполагался: слегка наклонным; малым по сравнению с глубиной проникновения электромагнитной волны в металл; имеющим небольшое отклонение от цилиндрически симметричной формы.

В результате теоретического анализа модели показано, что рассеяние линейно поляризованного монохроматического излучения па единичном субдлшпюволновом выступе может приводить к формированию оптического вихря при малых отклонениях формы выступа от цилиндрически симметричной. В рамках модели получено решение, соответствующее спирали первого порядка в плоском распределении тангенциальной компоненты усредненного по времени вектора Умова-Пойнтинга S = ¿Re [Е Н] , взятого на металлической поверхности z — Z(p,ip).

Проекция S на плоскость z = 0 описывает поток энергии бегущей плазмои-поляритонной волны, возбуждение которой падающим излучением обусловлено наличием поверхностной неоднородности. Эта компонента экспоненциально затухает при росте \z\ и отсутствует при отсутствии поверхностного нлазмона, то есть в случае диэлектрического материала, для

которого Ree > 0. Для рассмотренной модели

|S<s)| > ¡S® I, S<s) ос e"^R.e {H¡1) {дяЯ)(sin <р + 7 Im9з ^)} .

где ось х выбрана параллельно вектору Ец поля падающей волны. Н\1>(х) - функции Ханкеля первого рода, ks = — к2, к = м/с. с/* - модуль волнового вектора поверхностной плазмонпоп волны с частотой jj.

На рис. 7 представлена спираль первого порядка, проявляющаяся в плоском распределении = Z(p,ip)) при

7 -ф 0, то есть в случае, когда форма поверхностной неоднородности отклоняется от цилиндрически симметричной. Таким образом, причиной появления вихревой структуры в распределении ЭМП вблизи металлизированного наноцилиидра. в рассмотренной модели, являться возбуждение циркулярных поверхностных плаз-монов. Результаты теоретического исследования качественно согласуются с фактом обнаружения методом СОМБП спиралевидного распределения интенсивности электромагнитного поля в непосредственной близости от металлизированных наноцилиидров.

В заключительной части главы представлены результаты применения созданного комплекса СОМБП для экспериментального исследования кластеризации люминесцентного красителя ROT-300 (BASF) и красителя DCM в полимерных пленках с оптическим разрешением, много меньшим длины волны излучения накачки Л = 532 нм и длины волны излучения люминесценции Xrot-зю — 605 нм, \dcm — 590 нм.

Изучаемые пленки формировались путем епшшигования па подложке из стекла и полиметилметакрилата (ПММА). В эксперименте использовался модуль СОМБП со сканированием образцом (рис. 2(6)) в режиме сбора излучения люминесценции с помощью высокоапертурпого (N. А.=0.6) микрообъектива. Возбуждение люминесценции осуществлялось локально с помощью апертурного зонда. Средняя толщина пленок составляла 100 -г 200 нм. На основе статистического анализа серии изображений было показано, что характерный размер образующихся кластеров составляет около 150 нм, что значительно меньше длины волны в максимуме спектра люминесценции.

В качестве контрольных измерений проводились исследования покрытых монослоем люминофора ROT-300 сферических стеклянных частиц, наносимых на поверхность стекла или ПММА. Размер сферических частиц выбирался в диапазоне 20-г 200 нм. При этом для выбранной фракции функция распределения частиц но размерам являлась одпомодалыюй,

20 отн.ед.

алъпой компоненты 5'г' вектора Пойнтинга на металлической поверхности в функции безразмерного радиуса qap и полярного угла.

93нм

Рис. 8 Топографическое-(а) и бл.ижнеполъно-оптическое люминесцентное изображение- (б), экспериментального люминесцентного носителя информации на основе DVD диско.. (в,г)-сечения вдоль указанных етрелкам.и на (а) и (б) направлений. Длина волны накачки А — 532 нм., длина волны люминесценции

\iUUL - 605 н.н.

по форме напоминающая гауссову. Полуширина пика распределения частиц ни размерам составляла обычно около 70 им. Подобный выбор контрольного объекта позволял с высокой степенью приближения создавать структуры, имеющие характерные размеры неоднородностей в оптическом отклике, близкие к предполагаемым для сплошных пленок (т.е. много меньших, чем длина волны излучения). Распределение интенсивности люминесценции сферических ианочастиц было получено с использованием двух-проходной методики сканирования но плоскости на расстоянии z = 5 нм от максимально высокого объекта на топографическом изображении. Исходя из проведенного в диссертации анализа сечений полученных СОМБП изображений сферических ианочастиц, оценена оптическая разрешающая способность СОМБП, которая составила 25 -г 30 нм, при использовании собственных апертурных зондов.

13 заключении приведен результаты исследований поведения люминофоров в экспериментальных носителях для создания трехмерной оптической памяти па основе мультислоев, состоящих изначально из неиереме-шапных люминофоров и гасителей люминесценции. Регистрация и хранение информации в таких слоях осуществляется за счет локализации люминесцентного красителя в рельефных углублениях в носителе информации. Увеличение емкости носителя (по оценкам до 1000 Гб на носителе формата DVD) достигается путем наращивания слоев с локализованным люминофором. Результаты исследования топографии и распределения люминесценции красителя ROT-300 в одном слое экспериментального носителя информации на основе DVD диска представлены на рис. 8.

Глава 4 посвящена анализу и разработке полярпзацпопшш методики СОМБП, сочетающей в себе статическую и динамическую ночярпметрпю ближнего поля с использованием созданного диагностическою компчскса СОМБП Для экспериментального исследования локальных поляризационных свойств ЭМП вблизи поверхностных субмикро- и напое тру ктур ра з-работаны и созданы узлы, адаптирующие созданную annapai\p\ СОМБП для локальной оптической статической и динамической нолярнзацпошюй микроскопии ближнего поля

Как было показано в предыдущей главе, СОМБП предоставляет уникальные возможности по изучению локальной трехмерной стр\ ктуры ЭМП в непосредственной близости поверхностных наноструктур В сочетании с ними применение поляризационной методики СОМБП для аил чиза чока ш-ной поляризационной структуры ЭМП существенно расширяет возможности созданного комплекса Примером реализации такого рода возможностей являются результаты но экспериментальному определению локализации ортогонально поляризованных компонент ЭМП оптической частоты в непосредственной близости от апертуры субдлпнноволновою размера (см рис 9) Апертуры субдлпнповолиового размера бьпи сформированы путем термического напыления алюминия на заготовки эксперимента 1ьных компакт дисков, имевших увеличенную до h = 500 нм глубину шиов-поенте юй информации Напыление проводилось под углом окочо a = 35° по отношению к плоскости заготовки с одновременным се вращением вокруг своей оси Толщина металлической пленки составляча 100 — 150 им В результате такого напыления были сформированы одиночные отверстия диаметром меньше длины волны, расположенные па расстояниях, значительно превышающих их диаметры

Поляризационные СОМБП исследования полученных образцов проводились в режиме проходящего света при освещении со стороны но i южкп параллельным, линейно поляризованным лазерным лучом (дчнна во шы Л = 670 нм, оптическая мощность 3 мВт) В связи с постав чепнои задачей исследования использовался модуль СОМБП со сканированием зондом в режиме статической поляризационной микроскопии ближнею ноля Оптические СОМБП изображения регистрировались в режиме постоянной высоты на высоте 20 нм над поверхностью образца

СОМБП изображения, полученные при изучении рас пределения ЭМП в непосредственной близости от отверстия, представчепы на рис 9 Результаты экспериментального изучения распределения интенсивности различно поляризованных компонент электромагнитного ночи оптической частоты, поляризованных параллельно (рис 9(6)) и перпендикулярно (рис 9(b)) поляризации излучения подсветки (рис 9(a)), показами качественное различие в локализации этих компонент в непосредственной близости от апертуры субдлииноволнового размера в металлической пленке Кроме того, значительная интенсивность электромагнитного ноля с поляризацией, ортогональной поляризации излучения подсветки показывает на существенный вклад нерадиационных компонент в иигарапьную нн-

О 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Расстояние, мкм

Рис. 9 Топографическое изображение-(а) поверхности металлической пленки,, па. которой сформированы субдл.инноволновые апертуры, и СОМБП изобра-эк'.ения различно поляризованных компонент ЭМП для того Э1се участка-(б,в). (г)-сеченая СОМБП изображений в направлениях, указанных стрелками . Ориентация. анализатора относительно поляризации падающего излучения: (б)-тш.ра пл.елг>1 к к (в) -перпендикулярно.

тсцсившсть. Подобные результаты находятся в хорошем качественном со-о'шо'нтшш с теоретическими предсказаниями [14].

Совершенствование магнитных устройств, предназначенных для храпения информации, невозможно без детального изучения ферромагнитных и феррнмагнитных сред, а именно пленок, являющихся основой таких устройств. Тонкие пленки на основе феррит-гранатов являются одними из лучших па сегодняшний день магнитооптических материалов, что обусловлено их высокой прозрачностью для видимого и ближнего ИК-диапазонов, значите, шпой величиной эффекта Фарадея и большим значением коэффициента оптической добротности. Тонкие пленки Вьсодержащих феррит-гранатов также представляют большой интерес для создания миниатюрных высокочувствительных оптических датчиков измерения магнитных полей па основе эффекта Фарадея с чувствительностью вплоть до 0.1 Гс.

Традиционными методами наблюдения доменной структуры являются оптический метод порошковых фигур, а также методы поляризационной оптической микроскопии, основанные па использовании магнитооптических эффектов Фарадея, Коттона-Мутона, Керра, кругового магнитного и линейного магнитного дихроизмов. В последнее время все большее применение для изучения магнитной структуры находит магнитная силовая микроскопия (МСМ). Несмотря на многие достоинства, МСМ, присутствие магнитного зонда вблизи изучаемой структуры делает необходимым учет

4620 отн.ед. 3780 отн.ед.

л' ч. * К/ЛЦЬ

< V «А \ЦЛ\1ч*

и, V //г^чх

Г//а\\ Л У/Л\\С1

Рис. 10. Поляризационные оптические СОМБП изображения Вг-содержащей эпитаксиальной пленки феррита-граната, полученные при использовании апер-турного зонда в качестве коллектора излучения. Ориентация поляризаторов была выбрана таким, образом., чтобы обеспечить раздельное наблюдение и максимальный контраст: доменных стенок-(а); доменов с противоположной намагниченностью-(б, в). Толщина пленки феррита-граната 0.55 мкм, длина волны накачки Л = 532 нм.

воздействия зонда на локальную магнитную структуру образца, и наоборот. Поляризационная СОМБП предоставляет уникальную возможность сочетания традиционного метода поляризационной оптический микроскопии с возможностями сверхразрешения ближпеполыюй микроскопии при исследовании локальных магнитооптических эффектов.

В первой серии экспериментов по изучению эффекта Фарадея в пленках ферритов-гранатов использовалась схема статического поляризационного СОМБП. В качестве объектов исследования были выбраны эпитаксп-альные пленки ферритов-гранатов толщиной 1г — 2 ~ 10 мкм па подложке из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ), имеющие фарадеевекий угол вращения плоскости поляризации света <р = 1 ч- 4°. В результате экспериментов впервые показана возможность анализа поляризации оптического излучения, провзаимодействовавшего с исследуемым объектом, в режиме собирающего (локальный сбор излучения апертурным зондом) СОМБП на примере раздельной визуализации магнитной доменной структуры и структуры доменных границ в пленках ферритов-гранатов. Оцененная в диссертационной работе максимальная чувствительность статической схемы поляризационного СОМБП к углу поворота плоскости поляризации составила Д</> = 0.8°.

Исследование поведения пленок ферритов-гранатов при уменьшении толщины пленок приводит к необходимости увеличения чувствительности поляризационного СОМБП к углу поворота плоскости поляризации, что становится весьма затруднительным при использовании статической схемы поляризационного СОМБП. В поисках возможностей для исследования локальных поляризационных свойств тонких (И < 1 мкм) пленок ферритов-гранатов были разработаны и созданы узлы, адаптирующие аппаратуру СОМБП для локальной оптической динамической поляризационной микроскопии ближнего поля.

Для повышения чувствительности СОМБП к углу фарадеевского

1330 отн.ед

210 от.ед. 115 отн.ед 43 от.ед.

Рис. 11. Распределение интенсивности ЭМП вблизи полимерного наноцилин-дра., покрытого пленкой Au-Pd толщиной 25 нм.-(а), и изображения поляризационной структуры ЭМП вблизи вершины наноцил.индра-(б,в). СОМБП изображения. получены в режиме сбора оптического излучения апертурным. зондом. Ор'иентация анал.изатора относительно поляризации падающего излучения: параллел.ъно-(б); перпендикулярно-(в).

вращения применена модуляция угла линейной поляризации падающего излучения, что в сочетании с синхронным детектированием позволяет существенно повысить чувствительность методики. Применение электрооптического модулятора М.Л-102 с управляющим контроллером позволяет использовать различные возможные способы модуляции угла поляризации с частотой модуляции до /„, < 150 кГц. Основным преимуществом динамического метода, является отсутствие зависимости поляризационного контраста от интенсивности неполяризованной компоненты излучения (засветки или частично деполяризованного апертурой зонда излучения).

Результаты поляриметрических СОМБП исследований с применением моду, [яцпоппой методики представлены па рис. 10. В качестве объекта исследования использовалась Bi-содержащая пленка феррита-граната толщиной Ь- 0.55 мкм, внутренней намагниченностью Мо = 450 Гс, напряженностью магнитного поля коллапса доменов Нх — 2100 Э и углом фарадеев-ского вращения в доменах {р ~ 0.7°. Полученные локальные распределения магнитного кругового двойного лучепреломления (рис. 10(6,в)) демонстрируют. что. несмотря па наличие апертуры с размерами, много меньшими длины волны, с помощью созданной установки динамической поляризационной СОМБП возможно наблюдать локальный поворот плоскости поляризации менее 0.7°. В результате оценки, проведенной в диссертационной работе, установлено, что чувствительность динамической схемы СОМБП составила около Ду> = 0.2°. Это позволяет успешно использовать СОМБП для изучения ультратонких ферромагнитных и ферримагнитных сред.

В заключении главы приводятся описание и результаты экспериментов по изучению локальной поляризационной структуры оптических вихревых структур (описанных в главе 3), возникающих при взаимодействии поляризованного излучения с металлизированными наноцилиндрами. Эксперимент проводился совместно по методике трехмерного картирования ЭМП п статической поляризационной СОМБП. Трехмерное картирование осуществлялось по методике, которая описана выше (см. главу 3), однако

в оптическую схему дополнительно были введены элементы, позволяющие регистрировать кроме интенсивности ЭМП также и его поляризацию Результаты экспериментов представлены на рис И На рис 11 (а) приведено двумерное распределение интенсивности ЭМП на высоте 20 им над вершиной металлизированного напоцнлипдра, стрелкой указано ориентация вектора Е падающего излучения Поляризационная структура п ш различные распределения компонент ЭМП на высоте 20 им над вершппон паноци-линдра представлены на рис 11(6,в) Интересным фактом, обнаруженным в результате анализа поляризационной структуры в вихревом распределение ЭМП вблизи металлизированного наноцшшидрд, является наличие удвоенного периода па компоненте ЭМП, перпендикулярной (рис 11 (в)) возбуждающему излучению Исчерпывающего теоретическою объяснения подобному эффекту в настоящее время не существует, что говорит о необходимости дальнейшей углубленной теоретической и экепсримсптатыюн работы в таком чрезвычайно перспективного направления, как сканирующая оптическая микроскопия/полярпметрии ближнего но ш

Основные результаты и выводы

1 Создана экспериментальная установка СОМБП мод\дыюи конструкции для комплексного исследования абсорбционных, помппесцснт-ных и поляризационных оптических свойств субмикро- и паноезруктур с оптическим разрешением существенно превосходящим дифракционный предел (вплоть до 30 им), топографическим разрешением 0 3 им и чувствительностью к силе воздействия зондирующего острия с поверхностью О 4 нН Модульная конструкция позволяет реализовать все и звсстныс режимы работы СОМБП в проходящем/отраженном свете и в комбинированном режиме (при котором апертурпый зонд используется как источник и коллектор излучения одновременно), а также в режиме фотонный сканирующий туннельной микроскопии

2 Разработана и реализована методика изучения трехмерного распределения электромагнитного поля вблизи объектов наноыофовыч размеров с оптическим разрешением ~ 30 нм Проведено изучение трехмерного распределения ЭМП вблизи одиночных наноструктур, представлявших собой периодически расположенные полимерные и металлизированные на-ноцилиидры Экспериментальные результаты сопоставлены с результатами численного расчета по методу РБТБ Сравнение расчетных и экспериментальных результатов доказало возможность использования разработанной методики для изучения трехмерного распределения эпектром.и иптиого ноля вблизи наноструктур

3 Впервые методом СОМБП обнаружен эффект формирования оптических вихрей, возникающих при прохождении через металчпзированные наноструктуры с определенным типом симметрии Выявлен механизм формирования распределения электромагнитного поля со еппралыюл ыр_\ м \ -рой, заключающийся в возбуждении циркулярных поверхностных плазмо-нов и их взаимодействии с падающей волной

4 Методом сканирующей оптической микроскопии ближнего поля проведено экспериментальное исследование кластеризации люминесцентного красителя в полимерной пленке с оптическим разрешением, много меньшим дшшы волны излучения накачки (Л = 532 им) и длины волны излучения люминесценции (Л;„т = 605 им) Установлено, что характерный масштаб неоднородности распределения люминесцентного красителя в нолимериой пленке толщиной 100 им составляет 150 им, что значительно меньше длины волны излучения, соответствующего максимуму спектра люминесценции красителя

5 Создана установка для статической и динамической поляризационной микроскопии ближнего поля на базе созданного диагностического комплекса СОМБП Разработана методика исследования, позволяющая по-л\ чать информацию о локальных поляризационных свойствах объектов с характерными масштабами меньше длины волны оптического излучения и с чувствительностью по углу вращения поляризации Дуз = 0 8° в статическом режиме и Aip = 0 2° в динамическом

6 На основе метода сканирующей оптической микроскопии /по чяримстрии ближнего поля разработан метод определения пространственного распределения различно поляризованных компонент оптического ближнего поля вблизи поверхностных наноструктур Методика позволяет получать информацию о распределении линейно поляризованных компонент ближнего поля с пространственным разрешением вплоть до 30 им Проведено изучение пространственного раенреде 1епия ортогонально поляризованных компонент ЭМП вблизи одиночной апертуры диаметром d = 50 — 150 им Показано качественное различие г- локализации этих компонент в непосредственной близости от апертуры субдлшшоволпового размера в металлической пленке, что хорошо согласуются с теоретическими расчетами

7 Впервые показана возможность изучения магнитного кругового двулучепреломления (эффекта Фарадея) в тонких (h < 1 мкм) пленках с помощью апачиза поляризации локально собранного апертурным зондом излучения, прошедшего через образец На примере исследования эффекта Фарадея в Bi-содержащих пленках ферритов-гранатов продемонстрирована возможность изучения в такой схеме особенностей и тонкой структуры магнитных доменов и доменных границ с чувствительностью к фарадеев-ском\ yi л\ вращения порядка Aip = 0 2°

Основные результаты опубликованы в следующих работах-

1 Ежов А А , Музычснко Д А , Панов В И Модульный сканирующий зондовып микроскоп для силовой и ближнеполыюй оптической микроскопии/спектроскопии наноструктур // Препринт физического факультета МГУ 1998 № 12, Выи 9 С 12-22

2 Ежов А А , Музычеико Д А , Панов В И Оптический теневой и пьезоэлектрические датчики силы для атомио силовых микроскопов и сканирующих оптических микроскопов ближнего поля // Препринт

физического факультета МГУ 1999 № 15 10 с

3 Ejov А А , Kalachev AI , Kaporsky LN , Muzychenko D Л Smitnov IB, Veiko VP, Voznessenski NB, Yakovlev EB Pet nihilities of laser-assisted drawing-out processing of optical piobes ioi SNOM . Proceedings of SPIE Computer-Controlled Microshaping VP Veiko T Szoerenyi, Ed 1999 V 3822 P 199-206

4 Ejov A A , Magmtskn, S A , Muzychenko, D A , Panov V I Near-field optical microscopy of the elements of optical mcmoiv ' Suiface Investigation X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques 2001 V 16, №7 P 1101-1107

5 Ezhov A A , Magmtskn S A , Muzychenko D A , et al Scanning near-field optical microscopy study of electromagnetic field localization on periodical structures and defects // Surface Investigation X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques 2001 V 16, № 11 P 1761-1767

6 Ezhov A A , Logginov A S , Muzychenko D A , ct al Scanning near-held optical microscopy of iron garnet films // Surface Investigation X-Ra\, Synchrotron and Neutron Techniques 2001 V 16, № 11 P 1755-1759 ~

7 Ejov A A, Muzychenko DA, Toursynov JS SNOM investigation of molecular luminescence and polarize properties of domain walls / Ph\s Low-Dim Struct 2001 No 3/4, P 237-242

8 Ezhov A A , Loggmov A S , Muzychenko D A , ct al Sc,inning near-field optical microscopy as a new tool for subwavclength-icsolution magnetooptical investigations // Physics of Metals and Metallography 2001 V 92 P S277-S282

9 Didenko N V , Kim E M , Muzychenko D A , ct al Silvei island films probed by hyper-Raylcigh scattering and atomic force 1шсюыор\ Applied Physics В Lasers and Optics 2002 V 74, Nos (7-8) pp 647-651

10 Bashevoy M V , Ezhov A A , Magmtskn S A , Muzychenko D A , ct al SNOM investigation of the electromagnetic field intensity and polarization distribution in the vicinity of nanostructurcs / Int Journal of Nanosciencc 2004 V 3, Nos 1 & 2, P 105-113

11 Bashevoy MV, Ezhov A A, Magmtskn SA, Malakhov DV, Muzychenko D A , Panov V I, Toursynov J S SNOM investigation of the electromagnetic field intensity and polarization distribution m the vicinity of subwavclenhgth structures // Proceedings of SPIE Lasei-Assisted Micro- and Nanotcchnologies V P Veiko Editor 2003 V 5399 2004 P 38-49

12 Bashevoy M V , Ezhov A A , Magmtskn S A , Muzychenko D A , Panov V I , Toursynov J S Local optical diagnostics of nanostiuctuies SNOM investigation of the electromagnetic field interaction with the nanostructurcs // Proceedings of SPIE Micro- and Nanoelectiomcs К A Valiev, A A Orhkovsky, Ed 2004 V 401 P 561-572

13 Ежой А А , Магницкий С А , Музычснко Д А , Панов В И Применение сканирующей оптической микроскопии ближнего поля для изучения субмикро- и нанообъсктов, а также распределения электромаг-иитною поля // Наукоемкие технологии 2005 Т 6, № 1 С 34-40

14 Ezho\ А А , Magmtsky S А , Maslova N S , Muzychenko D А , Nikulin A A Panov V I Surface-plasmon vortices m nanostructured metallic films '/ Письма в ЖЭТФ 2005 T 82, Вып 9-10 С 678-681

15 Ezho\ А А , Magnitskn S А , Maslova N S , Muzychenko D А , Nikulin Л А , Panov V I Near-field optical vortexes at nanostructured metallic films // Int Journal of Nanoscience 2007 V 6, Nos 3 & 4 P 233-236

Список цитируемой литературы

G Billing, H Rohrer Scanning tunneling microscopy//Helv Phys Acta 1982 \ol 55 No 6 P 726-735

G Вптгд С F Quate, Ch Gerber Atomic force microscope // Phys Rev Lett 1986 Vol 56 No 9 P 930-933

A Lcuns, et al Scanning optical microscopy with 500 A spatial resolution I; Bioptys I 1983 Vol 41 P 405a

DM Eigln and E К Schweizer Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope // Nature 1990 Vol 344 P 524 P H Bcton, A W Dunn, and P Monariy Manipulation of C60 molecules on a Si miiface//Appl Phys Lett 1995 Vol 67 P 1075 E A Sijrigt A suggested method for extending microscopic resolution into the till la-microscopic region//Philosophical Mag 1928 Vol 6 p 356 E 4 Ash G Nicholls Supei-resolution aperture scanning microscope// Natuie 1972 Vol 237 P 510-512

D W Pohl, W Denk, M Lanz Optical stethoscopy image recording with i solution A/20 // Appl Phys Lett 1984 Vol 44 No 7 P 651-653 A Le ипч, et al Development of a 500 A spatial resolution light microscope ' Ultianucroscopy 1984 Vol 13 P 227-231

F Zcnhavsern, et al Scanning mterferomctnc apertureless microscopy optical imaging at 10 angstrom resolution // Science 1995 Vol 269, No 8 P 1083-1085

HA Bethe Theory of Diffraction by Small Holes//Phys Rev 1944 Vol 66 P 1G3

К Капах, R D Grober Piezoelectric tip-sample distance control for near field optical microscopes // Appl Phys Lett 1995 Vol 66, No 14 P

1842-1844

Kane Усе Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antennas and Piopagation 1966 V 14, No 3 P 302-307 1 Leuintari Study of near-field of a small aperture//J Appl Phys 1986 Vol 60 No 5 P 1577-1583

Подписано в печать 12 09 2008 г Формат 60x84/16 Печ л I 875 Тираж 80 экз Заказ 2042

Издательство «Тровант» ЛР 071961 от 01 09 1999 г

Отпечатано с готового оригинал макета в типографии издательства «Тровант» 142191 г Троицк Московской обл, м н «В», д 52 Тел (495)334-09-67,(4967)50 21-81 Е maií tn>vtp<.a.tnk г* h'fp v»av trot .-"^.ra'

Введение

Глава 1. Физические принципы сканирующей микроскопии ближнего оптического поля

§ 1.1 Вводное определение оптического ближнего поля.

1.1.1 Фурье-представление волнового поля.

1.1.2 Дальнее оптическое поле.

1.1.3 Ближнее оптическое поле,.

1.1.4 Краткая история оптической микроскопии ближнего поля

§ 1.2 Структура электромагнитного поля субдлипноволновой апсртуры

§ 1.3 Разрешающая способность оптических микроскопов ближнего поля.

§ 1.4 Соотношение неопределенности в оптической микроскопии ближнего поля

§ 1.5 Механизмы формирования ближпепольно-оптических изображений

1.5.1 Апертурный оптический микроскоп ближнего поля

1.5.2 Безапертурный оптический микроскоп ближнего поля

§ 1.6 Взаимодействие зондирующего острия с поверхностью.

1.6.1 Силы поверхностного квазитрепия.

1.6.2 Особенности датчиков контроля силы взаимодействия зондирующего острия с поверхностью, с использованием поверхностных сил квазитрения.

Глава 2. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля модульной конструкции

§ 2.1 Физические ограничения и требования, предъявляемые к экспериментальной установке СОМБП для исследования локальных оптических свойств наноструктур.

2.1.1 Оптический микроскоп ближнего поля: круг решаемых задач

2.1.2 Режимы сканирования СОМБП и пространственное разрешение

2.1.3 Взаимодействие зонда с поверхностью и неразрушаюгцая природа измерений.

2.1.4 Требования к манипулятору точных перемещений СОМБП

2.1.5 Учет и/или устранение топографических эффектов в ближнепольно-оптических изображениях.

§ 2.2 Концепция СОМБП модульной конструкции и оптические апертурные зонды.

2.2.1 Общие принципы, положенные в основу модульного СОМБП.

2.2.2 Методика приготовления апертурных зондов для СОМБП

§ 2.3 Механическая часть СОМБП модульной конструкции.

2.3.1 СОМБП со сканированием зондом.

2.3.2 СОМБП со сканированием образцом

2.3.3 Система контроля расстояния зонд - поверхность на основе ККР и резонансного усилителя/преобразователя заряд -напряжение.

§ 2.4 Программно-аппаратный комплекс управления СОМБП модульной конструкции.

2.4.1 Электронная система управления СОМБП.

2.4.2 Программная часть системы управления СОМБП. Трехмерное картирование электромагнитного поля.

Глава 3. Локальная трехмерная структура ЭМП вблизи периодических и неупорядоченных структур и люминесцентные свойства тонких полимерных пленок с внедренным красителем

§ 3.1 Локальная трехмерная структура ЭМП вблизи субмикронных объектов.

3.1.1 Методика приготовления образцов с периодически расположенными полимерными наноцилиндрами.

3.1.2 Трехмерное распределение ЭМП вблизи вершины одиночного полимерного наноцилиндра.

3.1.3 Трехмерное распределение ЭМП вблизи вершины одиночного металлизированного наноцилиндра.

3.1.4 Модель для описания появления эффекта оптического вихря при учете фазовой сингулярности

§ 3.2 Люминесцентные свойства тонких полимерных пленок с внедренным красителем и сферических наночастиц, покрытых монослоем люминесцентного красителя.

3.2.1 Трехмерная память на основе люминесцентных многослойных дисков

3.2.2 Краситель в тонкой полимерной пленке-носителе.

3.2.3 Люминесцентные свойства стеклянных сферических наночастиц, покрытых монослоем люминесцентного красителя

Глава 4. Поляризационная микроскопия ближнего поля

§ 4.1 Поляризационные измерения в микроскопии ближнего поля

4.1.1 Наблюдение поляризационных эффектов в СОМБП

4.1.2 Оптоволоконный поляризационный компенсатор.

4.1.3 Электрооптический модулятор плоскости поляризации для динамической поляризационной микроскопии ближнего оптического поля.

§ 4.2 Поляризационная структура наноотверстий.

§ 4.3 Эффект Фарадея в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов

§ 4.4 Анализ поляризационной структуры оптических вихрей.

Актуальность темы диссертации. Сканирующая зондовая мик-роскопия(СЗМ) [1-5] за последние 20 лет стала одним из мощных современных методов исследования морфологии и локальных физических свойств поверхности твердого тела. Ее исключительной особенностью стала нераз-рушающая природа измерений и сверхвысокое пространственное разрешение.

Методы структурного исследования поверхности, основанные на использовании зопдовых сканирующих микроскопий, стали бурно развиваться с момента изобретения Г.Бпннингом и Г.Рорером сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) [1] в 1982г., позволившего впервые визуализировать отдельные атомы на поверхности. Появление первого СТМ и последующая наглядная демонстрация возможности оперировать отдельными атомами [6] п молекулами [7] дали сильный толчок развитию целого направления в физике, получившему в последствии название физика на-носпстсм (ФН).

ФН и физика поверхностных явлений в настоящее время являются одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро- и наноэлектроники, спинтрони-кп, панофотоники, наноприборостроения, методов обработки и получения паноматериалов, и т.д. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, является актуальной задачей. Мечтой многих исследователей является непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов. В современной физике конденсированного состояния исследование наноструктур является одним из приоритетных направлений. Это объясняется не только фундаментальным интересом, но и практической важностью изучения физических свойств наноструктур для электроники будущего.

Большое внимание уделяется также и изучению взаимодействия различных напообъектов с электромагнитным излучением оптического диапазона. В последние годы появилось большое количество устройств, принцип работы которых основан на взаимодействии электромагнитного излучения с объектами, сравнимыми или даже меньшими, чем длина волны этого излучения. Понимание и визуализация процессов, происходящих при взаимодействии световой волны с объектами, размеры которых значительно меньше, чем длина волны света, очень важно как с фундаментальной точки зрения, так и с практической. Круг задач, связанных с изучением взаимодействия излучения оптического диапазона с наноструктурами, поистине необъятен и включает в себя такие задачи как: создание оптических накопителей информации со сверхвысокой плотпостыо записи информации (вплоть до 1012бит/см2); управление молекулярными машинами с помощью оптического излучения; создание оптических компьютеров; фотонных кристаллов и различных фотонных устройств в микроэлектронике. Все эти задачи требуют детального понимания процессов, происходящих при взаимодействии света с наноструктурами. С созданием в 17 веке Ван Левенгуком оптического микроскопа исследователи получили возможность детального изучения микромира, однако попытки проникнуть глубже в наномнр -были обречены на неудачу. Вскоре было показано, что разрешение обычного оптического микроскопа определяется дифракционным пределом и не может превышать

D > 1.22—

2 п где Л - длина волны света, п - показатель преломления среды. Для оптических длин волн предельное разрешение составляет порядка 3004-500 нм. Идея преодоления дифракционного предела была предложена Сингхоы (Е.Н. Syiige) еще в 1928 году [8]. Она заключалась в прохождении электромагнитного излучения через диафрагму диаметром а « А и падение его на поверхность образца, расположенного за диафрагмой и находящегося в ближнем поле источника. Если расстояние z до поверхности образца и диаметр диафрагмы удовлетворяют условию a, z < А, то размер светового пятна на поверхности образца будет близок к диаметру диафрагмы . При перемещении такого светового пятна по поверхности образца возможно реализовать разрешение не ограниченное дифракционным пределом. Первое подтверждение справедливости идеи Сингха было получено Эшом (Е.А. Ash) в 1972 году в экспериментах с электромагнитным излучением микроволнового диапазона, где была зафиксирована разрешающая способность Л/60 [9]. В середине 80-х годов группа исследователей фирмы IBM во главе с Полем (D.W. Polil) продемонстрировала сверхразрешение и в оптическом диапазоне частот. Достигнутая разрешающая способность составила А/20, и это направление исследований получило название - сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (СОМБП) [3-5]. Сегодня микроскопия ближнего оптического поля - одно из наиболее молодых и перспективных направлении локального исследования оптических свойств поверхности, возникшее в результате развития сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии (СТМ, АСМ) [1,2].

СОМБП позволяет получать информацию о различных (в том числе спектральных и поляризационных) оптических свойствах пано-объектов с разрешением, значительно превышающим дифракционный предел. Возможность улучшения на порядок и более локальности оптических методов исследования поверхности весьма существенна при решении широкого круга научных п прикладных задач. Анализируя взаимодействие света с неоднородной поверхностью методами классической оптики приходится усреднять влияние многих дефектов, находящихся в пределах облучаемого участка. Применение СОМБП облегчает исследование отдельных объектов нанометрового размера на поверхности. Кроме того, СОМБП предоставляет уникальные возможности по изучению локальной трехмерной структуры электромагнитного поля (ЭМП) в окрестностях субмикро- и наноструктур с разрешением, более чем на порядок превышающим дифракционный предел.

Несмотря на все достоинства и интенсивное развитие метода СОМБП, особенно последнее десятилетие, многие его возможности остаются до сих пор не раскрытыми и требуют более детального изучения. Требуют понимания и процессы формирования СОМБП изображения и выявление взаимосвязи структуры поверхности с ее локальными оптическими свойствами. Для фундаментального понимания и корректных интерпретаций получаемых результатов исследований также необходимо учитывать то, насколько само зондирующее острие влияет на распределение электромагнитного поля вблизи исследуемых объектов. В настоящее время в мире широко изучаются возможности СОМБП в области сверхплотной записи информации, в том числе с использованием фотохромных люминофоров и магнитных пленок в качестве носителей. В связи с вышеизложенным работы, направленные на углубление понимания процессов, лежащих в основе СОМБП и создание новых экспериментальных установок для комплексного исследования оптических свойств поверхностных наноструктур методом СОМБП, являются весьма актуальными.

Целью диссертационной работы является: разработка и создание диагностической аппаратуры СОМБП с субдлинноволновым оптическим пространственным разрешением для комплексного исследования оптических (включая спектральные и поляризационные) свойств субмпкро и нанон-структур в различных режимах работы СОМБП; разработка надежной методики изучения локальных поляризационных и люминесцентных свойств микро- и напообъектов с помощью ближнепольной сканирующей микроскопии; развитие методов анализа люминесцентных, нелинейно-оптических и магнитооптических параметров элементов оптической обработки информации с разрешением, много меньшим оптической длины волны (разрешение вплоть до 30 нм при длине волны около 530 нм).

В соответствии с общей целью исследования были поставлены и реализованы следующие основные задачи:

1. Разработка и создание диагностической аппаратуры СОМБП модульной конструкции для исследования спектральных, люминесцентных и поляризационных оптических свойств наноструктур, позволяющей проводить комплексное исследование оптических свойств объектов с характерными размерами много меньшими длины световой волны. Отличительной особенностью диагностического комплекса СОМБП является возможность реализации в одном приборе 11 различных но своим физическим принципам, режимов работы СОМБП (включая апертурный и безапертурпый вариант СОМБП) без внесения существенного изменения в механическую и механико-оптическую схему СОМБП.

2. Разработка и создание датчика контроля силы взаимодействия зондирующего острия с поверхностью на основе кварцевого камертонного резонатора, обеспечивающего в режиме сканирования разрешающую способность по высоте не хуже 0.3 нм и с силой взаимодействия зондирующего острия с образецом не более 0.5 нН, что позволяет исследовать биологические объекты, без их разрушения.

3. Разработка методики изучения локальной трехмерной структуры ЭМП в непосредственной (на расстояниях А, где Л - длина волны излучения) близости от исследуемых объектов с помощью СОМБП, выявление особенностей этих распределений ЭМП и учет особенностей формирования трехмерных оптических СОМБП изображений.

4. Экспериментальное исследование методом СОМБП кластеризации люминесцентного красителя в полимерной пленке с оптическим разрешением, много меньшим длины волны излучения накачки и длины волны излученшх люминесценции, а также изучение люминесцентных свойств сферических стеклянных наночастиц (размером 20-100 нм), окрашенных люминесцентным красителем, нанесенным на поверхность стеклянных сфер.

5. Применение разработанной методики изучения трехмерного распределения ЭМП для исследования особенностей взаимодействия оптического излучения с искусственно созданными субмпкронны-ми диэлектрическими и металлическими структурами, состоящими из периодически расположенных полимерных и полимерно-металлизированных наноцплиндров.

6. Разработка методики получения с помощью созданного СОМБП информации о локальном распределении магнитного кругового двойного лучепреломления в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов как в статическом, так и в динамическом режимах. В последнем режиме необходимость осуществления модуляции плоскости поляризации зондирующего луча с последующим синхронным детектированием локально собранного апертурой оптического излучения диктуется необходимостью существенного повышения помехоустойчивости и разрешающей способности по углу поворота плоскости поляризации по сравнению со статическим режимом.

7. Исследование поведения ортогонально поляризованных компонент ЭМП в вблизи субмикронных (d ~ 50 150 нм) отверстий, сформированных в металлической пленке алюминия.

Научная новизна:

Впервые создан комплекс диагностического оборудования модульной конструкции (разделенный по принципу сканирования) для комплексного исследования абсорбционных, спектральных, люминесцентных и поляризационных оптических свойств систем пониженной размерности с оптическим разрешением ~ 30 нм, реализующий все известные режимы работы СОМБП.

Впервые с использованием поляризационного СОМБП проведено изучение пространственного распределения ортогонально поляризованных компонент электромагнитного поля вблизи одиночной апертуры диаметром d = 100 нм (сформированной в пленке AI толщиной 75 нм) и показано качественное различие в локализации ближнеполь-ных составляющих этих компонент.

Методом СОМБП проведено экспериментальное исследование люминесцентного красителя в полимерной пленке с оптическим разрешением D ~ 30 пм. Впервые показано, что краситель располагается в пленке-носителе не равномерно, а обладает свойством кластеризации с характерным масштабом 150 нм.

Предложена методика изучения трехмерного распределения электромагнитного поля вблизи объектов нанометровых размеров. Для демонстрации больших потенциальных возможностей предложенного метода исследования проведено изучение трехмерного распределения ЭМП вблизи одиночных наноструктур, представлявших собой периодически расположенные наноцилипдры с коническим основанием.

Впервые методом СОМБП обнаружен эффект формирования ЭМП со спиральной структурой, возникающей при прохождении излучения через полимерные паноцилиндры, покрытые тонкой металлической пленкой.

Рассмотрена теоретическая модель, описывающая возникновение вихревых оптических структур, причиной которых является возбуждение циркулярных поверхностных плазмонов.

Научная и практическая ценность В настоящей работе разработан и создан диагностический комплекс СОМБП, который послужил прототипом для создания коммерческого прибора для исследования оптических свойств поверхности и поверхностных наноструктур методом СОМБП. Коммерческий вариант прибора поставлен по межгосударственному соглашению в Международный Лазерный Центр (МЛЦ) г. Братиславы, Словацкая Республика (Контракт АГе1/99-В от 18.06.1999 между МЛЦ МГУ и МЛЦ г. Братиславы).

Разработанная методика изучения трехмерного распределения ЭМП может использоваться для исследования как фундаментальных процессов взаимодействия оптического излучения с наноструктурами, так и для контроля п анализа оптических свойств элементов наноэлектроники таких как лазерные диоды, элементы оптической памяти, фотонные кристаллы и др.

Обнаруженный эффект формирования оптических вихревых распределений ЭМП вблизи металлизированных объектов субмпкронного масштаба и разработанная теоретическая модель дают новые фундаментальные знания об особенностях взаимодействия оптического излучения с объектами, масштабы которых сравнимы или меньше длины волны оптического излучения.

Впервые показана возможность анализа поляризации оптического излучения, провзаимодействовавшего с исследуемым объектом в режиме собирающего СОМБП на примере визуализации магнитной доменной структуры в пленках ферритов-гранатов, что позволяет применять эту методику для исследования магнитооптических эффектов в тонких пленка.

Положения, выносимые на защиту:

1. Создание комплекса диагностического оборудования СОМБП для исследования абсорбционных, спектральных, люминесцентных и поляризационных оптических свойств наноструктур с пространственным оптическим разрешением D < 30 нм, значительно превышающим дифракционный предел, и возможность реализации всех известных на сегодняшний день режимов работы СОМБП (11 режимов работы, включая апертурные и безапертурные режимы СОМБП).

2. Развитие метода поляризационного СОМБП и изучение пространственного распределения ортогонально поляризованных компонент электромагнитрюго поля вблизи апертур субдлинноволнового размера {d = 100 им), сформированных в металлической пленке.

3. Разработка методики трехмерного картирования ЭМП вблизи одиночных или упорядоченных субмикро и наноструктур. Изучение трехмерного распределения ЭМП вблизи одиночных наноструктур, представлявших собой периодически расположенные полимерные и металлизированные наноцилиндры.

4. Обнаружение методом С О МБП эффекта оптического вихря вблизи металлизированных объектов субмикропного масштаба.

5. Изучение методом СОМБП магнитного кругового двулучепреломле-ния (эффекта Фарадея) в тонких пленках Bi-содержащих ферритов-гранатов с помощью анализа поляризации, прошедшего через образец излучения и локально собранного апертурным зондом.

Обоснованность и достоверность результатов

Результаты, представленные в диссертации, получены на основе многократно повторенных экспериментов, проведенных па современном научном оборудовании с использованием современных методов обработки экспериментальных данных. Экспериментальные данные сравнивались с теоретическими расчетами, основанными на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, а также с результатами других групп исследователей. Результаты этих экспериментов неоднократно обсуждались на семинарах и докладывались на специализированных конференциях по проблемам, связанных с тематикой диссертационной работы. Большая часть результатов опубликована в международных и российских научных журналах. Это позволяет считать все полученные результаты обоснованными и достоверными, а также полностью отвечающими современному мировому уровню исследований. Большинство представленных результатов являются новыми и получены впервые.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 169 страниц, включая 71 рисунок. Список литературы содержит 138 наименований.

Заключение

По результатам проведенных исследований и на основании представленных в диссертационной работе экспериментальных результатов, сформулируем основные выводы:

1. Создана экспериментальная установка СОМБП модульной конструкции для комплексного исследования абсорбционных, люминесцентных и поляризационных оптических свойств субмнкро- и наноструктур с оптическим разрешением, существенно превосходящим дифракционный предел (вплоть до 30 нм), топографическим разрешением 0.3 им и чувствительностью к силе воздействия зондирующего острия с поверхностью 0.4 нН. Модульная конструкция позволяет реализовать все известные режимы работы СОМБП в проходящем/отраженном свете и в комбинированном режиме (при котором апертурный зонд используется как источник и коллектор излучения одновременно), а также в режиме фотонный сканирующий туннельной микроскопии.

2. Разработана и реализована методика изучения трехмерного распределения электромагнитного поля вблизи объектов нанометровых размеров с оптическим разрешением ~ 30 нм. Изучено трехмерное распределение ЭМП вблизи одиночных наноструктур, представлявших собой периодически расположенные наноцилиндры с коническим основанием. Экспериментальные результаты сравнивались с результатами, полученными с помощью численного расчета - путем решения уравнений Максвелла методом конечных разностей во времени. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов наглядно доказало возможность использование разработанной методики для изучения трехмерного распределения электромагнитного поля вблизи наноструктур с оптическим разрешением вплоть до 30 нм.

3. Впервые методом СОМБП обнаружен эффект формирования оптических вихрей, возникающих при прохождении через металлизированные наноструктуры с определенным типом симметрии. Выявлен механизм формирования распределения электромагнитного поля со спиральной структурой, заключающийся в возбуждении циркулярных поверхностных плазмоиов и их взаимодействии с падающей волной.

4. Рассмотрена теоретическая модель, описывающая возникновение вихревых оптических структур. Результаты теоретического исследования хорошо согласуются с фактом обнаружения методом СОМБП спиралевидного распределения интенсивности электромагнитного поля в непосредственной близости от металлизированных наноцилин-дров.

5. Методом сканирующей оптической микроскопии ближнего поля проведено экспериментальное исследование кластеризации люминесцентного красителя в полимерной пленке с оптическим разрешением, много меньшим длины волны излучения накачки (Л = 532 нм) и длины волны излучения люминесценции (Лium = 605 нм). Установлено, что характерный масштаб неоднородности распределения люминесцентного красителя в полимерной пленке толщиной 100 нм составляет 150 нм, что значительно меньше длины волны излучения, соответствующего максимуму спектра люминесценции красителя.

6. Создана установка для статической и динамической поляризационной микроскопии ближнего поля на базе созданного диагностического комплекса СОМБП. Разработана методика исследования, позволяющая получать информацию о локальных поляризационных свойствах объектов с характерными масштабами меньше длины волны оптического излучения и с чувствительностью по углу вращения поляризации Аср = 0.8° в статическом режиме и Аср = 0.2° в динамическом.

7. На основе метода сканирующей оптической микроско-пии/полярпметрии ближнего поля разработан метод определения пространственного распределения различно поляризованных компонент оптического ближнего поля вблизи поверхностных наноструктур. Методика позволяет получать информацию о распределении линейно поляризованных компонент ближнего поля с пространственным разрешением вплоть до 30 нм. Проведено изучение пространственного распределения ортогонально поляризованных компонент ЭМП вблизи одиночной апертуры диаметром d = 50 -7- 150 нм. Показано качественное различие в локализации этих компонент в непосредственной близости от апертуры субдлинноволнового размера в металлической пленке, что согласуются с теоретическими расчетами.

8. Впервые показана возможность изучения магнитного кругового дву-лучепреломленпя (эффекта Фарадея) в тонких (h < 1 мкм) пленках с помощью анализа поляризации локально собранного аиертур-ным зондом излучения, прошедшего через образец. На примере исследования эффекта Фарадея в Bi-содержащих пленках ферритов-гранатов продемонстрирована возможность изучения в такой схеме особенностей и тонкой структуры магнитных доменов и доменных границ с чувствительностью к фарадеевскому углу вращения порядка А<р = 0.2°.

В заключение хочу выразить искреннюю признательность моему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору В.И. Панову за общее руководство и предложенную тему диссертационной работы, А.А. Ежову за непосредственное участие в разработке диагностического комплекса СОМБП, представленного в диссертации, С.В. Савинову, А.И. Орешки-ну и С.И. Орешкину за плодотворные дискуссии и помощь в создании программно-аппаратного комплекса управления СОМБП, Д.В. Малахову за предоставленные для исследования образцы, а также всем сотрудникам лаборатории сканирующей зондовой микроскопии п физики наноструктур кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова за чуткое отношение и помощь в работе. Хочу также поблагодарить всех людей, принимавших участие в создании экспериментальной установки, и в изготовлении исследованных в диссертационной работе образцов.

1. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy // Helu. Phys. Acta. - 1982. - Vol. 55, no. 6. - Pp. 726-735.

2. Binnig G., Quatc C. F., Gerber C. Atomic force microscope // Phys. Rev. Lett. 1986. - Mar. - Vol. 56, no. 9. - Pp. 930-933.

3. Lewis A., Isaacson M., Muray A., Harootunian A. Scanning optical microscopy with 500a spatial resolution // Biophys. J. — 1983. — Vol. 41. — Pp. 405-406.

4. Pohl D. W.j Denk W., Lanz M. Optical stethoscopy: image recording with resolution A/20 // Appl. Phys. Lett- 1984. Vol. 44, no. 7. - Pp. 651653.

5. Lewis A. Isaacson M., Muray A., Harootunian A. Development of a 500a spatial-resolution light-microscope. 1. light is efficiently transmitted through A/16 diameter apertures. // Ultramicroscopy. — 1984.— Vol. 13.-Pp. 227-231.

6. Eigler D. M., Schweizer E. K. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope // Nature. — 1990. — Vol. 344. — Pp. 524-526.

7. Beion P. H., Dunn A. W. Moriarty P. Manipulation of c60 molecules on a si surface // Appl. Phys. Lett, 1995. - Vol. 67. - Pp. 1075-1077.

8. Synge E. A. A suggested method for extending microscopic resolution into the ultra-microscopic region // Philosophical. — 1928. — Vol. Magazine 6. Pp. 356-362.

9. Ash E. A., Nicholls G. Super-resolution aperture scanning microscope // Nature. — 1972. Vol. 237. - Pp. 510-512.

10. Abbe E. Beitrage zur theorie des microskops und der microskopishen wahrnehmung // Arhiv f. Microskop. Anat.— 1873.—Vol. 9. — Pp. 413448.

11. Wilson Т. Confocal microscopy // Academic Press, London, UK.— 1990. Pp. 305-327.

12. Betzig E., Trautman J. K. Near-field optics: Microscopy, spectroscopy, and surface modification beyond the diffraction limit // Science. — 1992. — Vol. 257.-Pp. 189-195.

13. Betzig R. E., Trautman J. К. Wolfe R., Gyorgy E. M., Finn P. L., Kryder M. H., Chang C.-H. High density near-field optical recording (invited) // J.Appl.Phys. — 1993. — Vol. 73.- Pp. 5791-5797.

14. Dickmann K., Jersch J. Nanostructuring with laser radiation by field enhancement in the nearfield of a stm tip // Laser Optoelektronik. — 1995. — Vol. 27. Pp. 76-83.

15. Betzig E., Chichester R. J. Single molecules observed by near-field scanning optical microscopy // Science. — 1993. — Vol. 262. — Pp. 1422-1425.

16. Dunn R. C. Near-field scanning optical microscopy // Chcm Rev.— 1999. Vol. 99. - Pp. 2891-2945.

17. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т.П. Теория поля. — М.: Физматгиз, 1960. — 400 с.

18. Bethe Н. A. Theory of diffraction by small holes // Phys.Rev. — 1944. — Vol. 66. — P. 163.

19. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. — M.: Наука, 1973. — 400 с.

20. Bouwkamp С. J. On bethes theory of diffraction by small holes // Philips. Res. Rep. 1950. - Vol. 5, 110. 5. - Pp. 321-332.

21. Музыченко Д. А., Ежов А. А., Магницкий С. А., Панов В. И., Тара-сишин А. В. Исследование локализации электромагнитного поля на периодических структурах и дефектах методом оптической микроскопии ближнего поля // Поверхность. — 2000. — № 11. — С. 59-63.

22. Muzychenko D. A., Ejov A. A., Panov V. I. Local light polarization mapping and electromagnetic field imaging by SNOM // Proc. 8th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology".— St. Peterburg, Russia: 2000. Pp. 333-335. ■

23. Betzig Е., Trautman J. К., Harris Т. D., Weiner J. S., Kostelak R. L. Breaking the diffraction barrier: Optical microscopy on a nanometric scale // Science. — 1991. — Vol. 251, no. 5000. Pp. 14G8-1470.

24. Zenhausern F., Martin Y., Wickramasinghe H. K. Scanning interferomet-ric apertureless microscopy: optical imaging at 10 angstrom resolution // Science. — 1995. — Vol. 269, no. 8.- Pp. 1083-1085.

25. Betzig E., Finn P. L., Weiner J. S. Combined shear force and near-field scanning optical microscopy // Appl. Phys. Lett. — 1992, — Vol. 60, no. 20. Pp. 2484-2486.

26. Pohl D. Scanning near-field optical microscopy (SNOM) // Adv. Opt. Electron Microsc. 1991. — Vol. 12. — Pp. 243-312.

27. Novotny L., Pohl D., Hecht B. Scanning near-field optical imaging using metal tips illuminated by higher-order hermite-gaussian beams // Opt. Lett. 1995. - Vol. 20. - Pp. 970-972.

28. Fisher U. C., Durig U., Pohl D. W. Near-field optical scanning microscopy in reflection // Appl. Phys. Lett. 1988. - Vol. 52. - Pp. 249-251.

29. Bozheuolnyi S. /., Vohnsen B. Near-field optics with uncoated fiber tips: light confinement and spatial resolution // J. Opt. Soc. Am. B. — 1997. — Vol. 14, no. 7.- Pp. 1656-1663.

30. Ohtsu M. Near-field nano/atom optics and technology // Springer-Verlag. — Tokyo: 1998.

31. Reddick R. C., Warmack R. J., Ferrell T. L. New form of scanning optical microscopy // Phys. Rev. В. — 1989, —Jan. — Vol. 39, no. 1.— Pp. 767770.

32. Courjon D., Sarayeddine !(., Spajer M. Scanning tunneling optical microscopy // Opt. Commun.— 1989. —Vol. 71. —Pp. 23-28.

33. Greg or M. J.7 Blome P. G., Schofer J., Ulbrich R. G. Probe-surface interaction in near-field optical microscopy: the nonlinear bending force mechanism 11 Appl. Phys. Lett. — 1996. — Vol. 68, no. 3. Pp. 307-309.

34. Grober R. D., Harris T. D., Trautman J. K., Betzig E. Design and implementation at a low tempeiature near-field scanning optical microscopy // Rev. Sci. Instrum.— 1994. — Vol. 65, no. 3,- Pp. 626-631.

35. Karrai K., Grober R. D. Piezoelectric Lip-sample distance control for near field optical microscopes // Appl. Phys. Lett. — 1995. — Vol. 66, no. 14. — Pp. 1842-1844.

36. Музыченко Д. А., Ежов А. А., Панов В. И. Оптический теневой и пьезоэлектрические датчики силы для атомно силовых микроскопов и сканирующих оптических микроскопов ближнего поля // Препринт физического факультета МГУ. — 1999. — № 15. — С. 1-12.

37. Hsu J. W., Lee M., Deaver В. S. A nonoptical tip-sample distance control method for near-field scanning optical microscopy using impedance changes in an electromechanical system // Rev. Sci. lustrum.-— 1995.— Vol. 66, no. 5,- Pp. 3177-3181.

38. Barenz J., Hollricher О., O. Marti 0. An easy-to-use non-optical shear-force distance control for near field optical microscopes // Rev. Sci. lustrum. — 1996. — Vol. 67, no. 5. Pp. 1912-1916.

39. Musundi В., Wabuyele M. C., Guy D. G., Pierre M. V., Tuan V. D. Near-field scanning optical microscopy for bioanalysis at nanometer resolution // Methods in Molecular Biology. — 2005.— Vol. 300.— Pp. 437452.

40. NT-MDT. NTEGRA Solaris datasheet.- www.ntmdt.com: NT-MDT Corporation, Zelenograd, Moscow, 2007. — 4 pp.

41. Veeco. Aurora-3 datasheet.— www.veeco.com: Veeco Instruments Inc., 2007. 3 pp.

42. Puestow R. Configuring the Aurora-3 for NSOM Spectroscopy. — www.veeco.com: Veeco Instruments Inc., 2003.— 12 pp.

43. Lewis A., Lieberman K., Ben-Ami N., Fish G., Khachatrya,n E., Ben-Ami U., Shalom S. Design and imaging concepts in NSOM // Ultramicroscopy. 1995. - Vol. 61. - Pp. 215-220.

44. Pangaribuan Т., Jiang S., Ohtsu M. Highly controllable fabrication of fiber probe for photon scanning tunneling microscope // Scanning. — 1994.- Vol. 16.- Pp. 362-367.

45. Kim Z. II, Leone S. R. High-resolution apertureless near-field optical imaging using gold nanosphere probes // J. Phys. Chem. B. — 2006. — Vol. 110, no. 40.- Pp. 19804-19809.

46. Suh Y. D., Zenobi R. Improved probes for scanning near-field optical microscopy // Advanced Materials. — 2000. — Vol. 12, no. 15. — Pp. 1139— 1142.

47. Patane S., Cefali E., Arenaa A., Gucciardib P. G.} Allegrmi M. Wide angle near-field optical probes by reverse tube etching // Ultramicroscopy. — 2006.- Vol. 106, no. 6,- Pp. 475-479.

48. Chen W., Zhan Q. Field enhancement analysis of an apertureless near field scanning optical microscope probe with finite element method // CHINESE OPTICS LETTERS. 2007. - Vol. 5, no. 12. - Pp. 709-711.

49. Brunner R., Hering O., Mart? O., Hollricher O. Piezoelectrical shear-force control on soft biological samples in aqueous solution // Appl. Phys. Lett. 1997. - Vol. 71, no. 25. - Pp. 3628-3630.

50. Garcia-Parajo M. F., Veerman J. A., van Noort S. J., de Grooth B. G. Greve J., van Hulst N. F. Near-field optical microscopy for dna studies at the single molecular level // Bioimaging. — 2001. — Vol. 6, no. 1. — Pp. 43-53.

51. Filonov A. S., Yaminsky I. V. Scanning Probe Microscope Control and Image Processing Software «FemtoScan 001» User's Manual. — Moscow: Advanced Technologies Center, 1999. — 40 c.

52. Filonov A. S., Yammsky I. V. Integration of auxiliary devices with fem-toscan probe microscope // Physics of Low-Dimensional Structures. — 2001. Vol. 3, no. 4. - Pp. 91-96.

53. Жданов Г. С. Оптимизация формы pi микроструктуры поверхности острий для ближнепольной оптики // Зондовая микроскопия-98.— Нижний-Новгород, Россия: 1998.—С. "99-104".

54. Veerman J. A., Otter А. М., Kuipers L., van Hulst N. F. High definition aperture probes for near-field optical microscopy fabricated by focused ion beam milling // Appl. Phys. Lett. — 1998. — Vol. 72, no. 24. — Pp. 31153117.

55. Williamson R. L., Miles M. J. Melt-drawn scanning near-field optical microscopy probe profiles // J. Appl. Phys. — 1996. — Vol. 80. — Pp. 48044812.

56. Valaskovic G. A., Holton M., Morrison G. H. Parameter control, characterization, and optimization in the fabrication of optical fibre near-field probes // Appl. Opt. 1995. - Vol. 34. - Pp. 1215-28.

57. Hosain S. I., Lacroute Y., Goudonnet J. P. A simple low-cost highly reproducible method of fabricating optical fiber tips for a photon scanning tunneling microscope // Microwave and Optical Technology Letters. — 1998. Vol. 13, no. 5.- Pp. 243-248.

58. Stockle R., Fokas C., Deckert V., Zenobia R.; Sick В., Heeht В., Wild U. P. . High-quality near-field optical probes by tube etching // Appl Phys. Lett. 1999. - Vol. 75, no. 2. - Pp. 160-152.

59. Electronics Conf. (IQEC 2002) and Conf. on Lasers Appl. and Technol. (LAT - 2002). - Moscow, Russia: June 22-28, 2002. - P. 367.

60. Meixner A. J., Bopp M. A., Tarrach G. Direct measurement of standing evanescent waves wilh a photon-scanning tunneling microscope // Appl. Opt. 1994. - Vol. 33, no. 34. - Pp. 7995-8000.

61. Karrai K., Grober R. D. Piezoelectric tuning fork tip-sample distance control for near field optical microscopes // Ultramicroscopy. — 1995. — Vol. 61.-Pp. 197-205.

62. Karrai K., Tiemann I. Interfacial shear force microspopy // Phys. Rev. B. 2000. - Nov. - Vol. 62, no. 19. - Pp. 13174-13181.

63. Встчянин С. Л., Холила Ф. Я. Измерения "без взаимодействия": возможности и ограничения // УФН. — 2004. — Vol. 174, по. 7. — Pp. 765-777.

64. Karrai К., Тгетапп I. Fast, high-resolution atomic force microscopy using a quartz tuning fork as actuator and sensor // J. Appl. Phys. — 1997. — Vol. 82, no. 03. Pp. 980-984.

65. Sarid D. Scanning Force Microscopy. — New York: Oxford University Press, 1991.- 137 pp.

66. Музыченко Д. А., Ежов А. А., Магницкий С. А., Па,нов В. И. Оптическая микроскопия ближнего поля элементов оптической памяти и их топкой структуры // Поверхность. — 2000. — № 7. — С. 43-46.

67. Yee. K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 1966. — Vol. 14, no. 3. — Pp. 302—307.

68. Muzychenko D. A.; Ezhov A. A., Magnitskii S. A., Maslova N. S.} Nikulin A. A., Panov V. I. Near-field optical vortexes at nanostructured metallic films // International Journal of Nanoscience. — 2007. — Vol. 6, no. 3/4.

69. Muzychenko D. A., Ezhov A. A., Magnitskii S. A., Maslova N. S., Nikulin A. A.j Panov V. I. Surface-plasmon vortices in nanostructured metallic films // Письма в ЖЭТФ. 2005. - Т. 82, № 9-10. - С. 678681.

70. Arseev P. I. Scattering of polaritons by fluctuations of the dielectric constant in thin films 11 JETP Lett. 1966. — Vol. 45, no. 3. - Pp. 162—165.

71. Tsujioka Т., Irie M. Theoretical study of the recording density limit of a near-field photochromic. memory // J. Opt. Soc. Am. В.— 1998.— Vol. 15. Pp. 1140-1146.

72. Kawata S., Kawata Y. Three-dimensional optical data storage using photochrome materials // Chem. Rev. — 2000. — Vol. 100. —Pp. 1777-1788.

73. Chen C. W., Li M. С., Ьгао W. Y., Ни A. T. Three-dimensional optical storage with photosensitive fluorescent material // Jpn. J. Appl. Phys.— 2004. Vol. 43. - Pp. 4919-4920.

74. Burr G. W. Three-dimensional optical storage // SPIE Conference on Nano-and Micro-Optics for Information Systems. — 2003. — Pp. 5225-16.

75. Corredor С. C., Huang Z., Belfield K. D. Two-photon 3d optical data storage via fluorescence modulation of an efficient fluorcne dye by a photochromic diarylethene // Adv. Mater. — 2006.— Vol. 18, no. 21.— Pp. 2910-2914.

76. Шкритек П. Справочное пособие по звуковой схемотехнике. — Москва: Пер. с нем. Мир, 1991. — 446 с.

77. Day D., Gu М. Formation of voids in a doped polymethylmethacrylate polymer // Appl. Phys. Lett. 2002. - Vol. 80,- Pp. 2404-2406.

78. Glushko B. A., Levich E. B. Fluorescent optical memory. — USA: United States Patent 6,071,671 G11B 007/24; G11B 007/22, G11B 007/00, 2002.- 27 pp.

79. Vaez-Iravani M.} Toledo-Crow R. Pure linear polarization imaging in near field scanning optical microscopy // Appl. Phys. Lett. — 1993. — Vol. 63. — Pp. 138-140.

80. McDaniel E. В., McClain S. C., Hsu J. W. P. Nanometer scale polarime-try studies using a near-field scanning optical microscope // Appl. Opt. — 1998. Vol. 37, no. 1. - Pp. 84-92.

81. Higgins D. A., Vanden Bout D. A., Kernno J., Barbara P. F. Polarization-modulation near-field scanning optical microscopy of mesostrucured materials // J. Phys. Chem. — 1996.— Vol. 100.— P. 13794.

82. На Т., Enderle Т., Chemla D. S., Selvin P. R., Weiss S. Single molecule dynamics studied by polarization modulation // Phys. Rev. Lett. — 1996. Nov. - Vol. 77, no. 19. - Pp. 3979-3982.

83. Шабанов Д. В., Новиков М. А. Использование интерферометра санья-ка для измерения эффекта линейного невзаимного двулучепреломле-ния в поперечном магнитном поле // Письма в ЖТФ. — 1997. — Т. 23, № 19. С. 30-34.

84. Wegner D., Conrad U., Giidde, Meyer G., Crecehus Т., Bauera A. In-plane magnetization of garnet films imaged by proximal probe nonlinear magneto-optical microscopy // J. of Appl. Phys. — 2000. — Vol. 88, no. 4. Pp. 2166-2168.

85. Kosobukin V. /1. Polar magneto-optic Kerr effect in the near-light field of a small nonmagnetic particle // Phys. Solid State.-— 1997.— Vol. 39, no. 3. Pp. 488-494.

86. Звездин А. К., Котов В. А. Магнитооптика тонких пленок. — Москва: Наука, 1988. 168 с.

87. Fa.raday М. On the magnetizat ion of light and the illumination of magnetic lines of force // Trans. Roy. Soc. London. — 1846. — Vol. 5. — P. 592.

88. Kerr J. On the rotation of the plane of polarization by reflection from the pole of a magnet // Phil. Mag. 1877. - Vol. 3. — Pp. 339-343.

89. Martin Y., Wickramasmghe H. K. Magnetic imaging by force microscopy with 1000 angstrom resolution // Appl. Phys. Lett. — 1987.— Vol. 50.— Pp. 1455-1457.

90. Rugar D., Mamin H. J., Guethner P., Lambert S. E., Stem J. E., Mc-Fadyen I., Yogi T. Magnetic force microscopy: General principles and application to longitudinal recording media // J. Appl. Phys. — 1990.— Vol. 68.-Pp. 1169-1183.

91. Thiaville A., Belliard L., Majer, et a. Measurement of the stray field emanating from magnetic force microscope tips by hall effect microsensors // J. Appl. Phys. — 1997. Vol. 82, no. 7.- Pp. 3182-3197.

92. Ram от о L., Labardi M., Maghelli N., Pardi L., Allegri-ni M.and Patane S. Polarization-modulation near-field optical microscope for local dichroism mapping // Rev. Sci. Instrum.— 2002.— Vol. 73.— Pp. 2051—2056.

93. Lefevre II. C. Single-mode fiber fractional device and polarisation controllers // Electronics Lett. 1980. - Vol. 16, no. 20.- Pp. 779-780.

94. Sapnel J. Acousto-optics. — New York: John Wiley and Sons, 1979. — 207 pp.

95. Ulrich R., Rasleigh S. C., Eickhoff W. Bending induced birefringence in single mode fibers // Opt. Lett. 1980. - Vol. 5. - Pp. 273-275.

96. Novotny L., Bian R. X., Xie X. S. Theory of nanometric optical twizer // Phys. Rev. Lett. — 199'7. Vol. 79, no. 4. — Pp. 645-648.

97. Leviatan Y. Study of near-field of a small aperture //J. Appl. Phys. ~ 1986. Vol. 60, no. 5. - Pp. 1577-1583.

98. Hubert A., Schafer R. Magnetic Domains. — Berlin: Springer, 1998.

99. Muzychenko D. A., Ejov A. A., Toursynov J. S. SNOM investigation ofmolecular luminescence and polarize properties of domain walls // Phys. Low-Dim. Struct. 2001. — no. 3/4. - Pp. 237-241.

100. Muzychenko D. A., Ejov A. A., Toursynov J. S. SNOM investigation of molecular luminescence and polarize properties of domain walls // Proc. Int. Workshop «Scanning Probe Microscopy 2001».— Nizhnii Novgorod, Russia: March 10 14, 2001. — Pp. 135-136.

101. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Т.1: Магнитные свойства веществ, 1987. Т. 2: Магнитные характеристики и практические применения. — Мир: Пер. с яп. М., 1987. — 419 pp.

102. Рандошкин В., Червоненкис А. Я. Прикладная магнитооптика. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 320 pp.

103. Iluser Т., Lacoste Т., Heinzelmann Н., Kitzerow Н. S. Faraday rotation imaging by near-field optical microscopy // Z. Phys. B. — 1997. — Vol. 104. Pp. 183-184.

104. Betzig E., Trautman J. K., Weiner J. S., Harris T. D., Wolfe R. Polarization contrast in near-field scanning optical microscopy // Appl. Opt. — 1992. Vol. 31, no. 22. - Pp. 4563-4568.

105. Музыченко Д. А., Ежов А. А., Логгинов А. С., Николаев А. В., Панов В. И. Оптическая микроскопия ближнего поля пленок ферритов-гранатов // Поверхность. — 2000. — № 11. — С. 56-58.