Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"? Как "увидеть" наноразмерные элементы?

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля

Вслед за СТМ в 1982 г. был создан также сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (СОМБП, англ. Near-field optical-scanning microscop – NFOSМ). Идея этого микроскопа была предложена еще в 1928 г., но тогда она намного опередила имеющиеся технические возможности и ждала "своего часа" свыше 50 лет. Уникальные возможности СОМБП были убедительно продемонстрированы лишь в 90-х гг. ХХ в.

Как и в СТМ, в СОМБП тоже используют наноразмерный, но теперь уже не вольфрамовый, а оптический зонд в виде заостренного керна тончайшего оптического волокна ( рис. 1.13) с диаметром острия порядка нескольких единиц или десятков нанометров.

Рис. 1.13. Структура оптических зондов для микроскопии ближнего поля: слева – для работы в режиме облучения зондом; справа – для работы в режиме просачивания света в зонд

Это в десятки-сотни раз меньше длины волны света, и с точки зрения классической физики свет сквозь такое отверстие в оптоволокне проходить не может. Тем не менее, по законам квантовой механики свет все же частично просачивается сквозь такие отверстия, но лишь на расстояние, сопоставимое с их поперечными размерами. Это - т.н. "ближнее поле", от которого и происходит название таких микроскопов. Если расстояние между зондом и исследуемым образцом так же мало, как и отверстие оптического зонда, то в пределах ближнего поля просочившийся свет взаимодействует с близлежащим участком образца и "ощущает" локальные свойства материала.

На рис. 1.13 цифрой 1 обозначен керн (сердцевина) оптического волокна, цифрой 2 ? его оболочка (с меньшим показателем преломления), цифрой 3 - заостренный кончик. При работе в режиме облучения на заостренный кончик наносят металлическое покрытие 4, чтобы сконцентрировать свет в малом объеме. Цифрой 5 обозначена приповерхностная область образца, а цифрой 6 - условное изображение фотонов, которые просачиваются из волокна в образец или из образца в волокно. Тонкие стрелки условно показывают электромагнитные взаимодействия в пределах ближнего поля.

В результате взаимодействия света с атомами/молекулами исследуемого образца возможны: поглощение квантов света, их рассеяние, комбинационное рассеяние, переизлучение в виде люминесценции и т.п.

В режиме облучения зондом "вторичное" излучение можно собирать и регистрировать разными способами ( рис. 1.14).

Рис. 1.14. Способы собирания света линзой от зоны взаимодействия в ближнем поле в режиме облучения оптическим зондом: слева – собирание с противоположной стороны прозрачной подложки; в центре – собирание рассеянного в сторону света; справа – собирание широкоугольным объективом

Слева показан вариант, применимый в случаях, когда исследуемый образец (Обр) находится на прозрачной подложке. Тогда вторичный свет собирается линзой (Л), расположенной с противоположной стороны подложки, и направляется на фотодетектор (ФД). Если подложка образца не прозрачна, то собирать вторичный свет (рассеянный, переизлученный) можно лишь в верхнем полупространстве. В центре показан вариант, когда линзой (Л) на фотодетектор (ФД) собирается вторичный свет, излучаемый в сторону под острым углом к направлению падения. Намного больше вторичного света можно собрать широкоугольным объективом (Об), как показано справа. Оптическое волокно (ОВ) и зонд продевают в этом случае сквозь небольшое отверстие, просверленное в центре объектива.

В режиме просачивания первичный свет подается не сквозь оптический зонд, а снизу, – если исследуемый образец (Обр) находится на прозрачной подложке ( рис. 1.15, слева), – или сбоку, если подкладка образца не прозрачная ( рис. 1.15, справа). Оптический зонд используют лишь для локального собирания вторичного света из участка нанометровых размеров (из ближнего поля).

Рис. 1.15. Способы доставки света в зону ближнего поля в режиме просачивания: слева – подача света с противоположной стороны прозрачной подложки; справа – подача света сбоку. З – зеркало; Обр – исследуемый образец; ЛД – лазерный диод; Л – линза; ОВ – оптоволокно

Организация прецизионного сканирования оптического зонда вдоль поверхности исследуемого образца подобна организации сканирования в СТМ и АСМ. Но способ поддержания острия зонда на заданном малом расстоянии от поверхности образца значительно отличается. Ведь оптическое волокно слишком велико для крепления на кантилевере. Однако вибрационный принцип организации отрицательной обратной связи сохраняется.

В качестве высокодобротного вибратора здесь обычно используют кварцевый резонатор типа камертона. Принципиальная схема соответствующей конструкции показана на рис. 1.16. Оптическое волокно (ОВ), заканчивающееся зондом, приклеивают к кварцевому резонатору (КР), механически закрепленному на зондовой головке (ЗГ). С другой стороны к кварцевому резонатору (КР) приклеивают пьезовибратор (ПВ). На конце кварцевого резонатора КР нанесены электроды обратной связи (ЕлОС), между которыми при колебаниях возникает переменное напряжение (). Если на пьезовибратор подать небольшое переменное возбуждающее напряжение () резонансной частоты, то в кварцевом резонаторе (КР) возникают колебания собственной частоты.

Когда зондовая головка (ЗГ), плавно опускаясь, приближается к поверхности образца на малое расстояние, при котором начинается межатомное притяжение, частота колебаний кварцевого резонатора (КР) изменяется. Переменное напряжение подается на схему обратной связи, где измеряется частота колебаний. Если она отличается от заданной (соответствующей заданному расстоянию между острием зонда и поверхностью образца), то на пьезоэлектрический привод подается напряжение, которое приводит к увеличению (или уменьшению) указанного расстояния.

Рис. 1.16. Способ подвески зонда в СОМБП: ЗГ – зондовая головка; Обр – исследуемый образец; КР – кварцевый резонатор; ЕлОС – электроды обратной связи; ОВ – оптоволокно; ПВ – пьезовибратор

Возможности СОМБП в режиме просачивания иллюстрирует рис. 1.17.

Рис. 1.17. Пример визуализации поверхностных плазмонов в пленке золота: слева – схема наблюдения; справа – изображение кончика золотой полоски, в которой возбуждены поверхностные плазмоны

Слева показана схема исследования. На поверхности стеклянной оптической призмы (1) сформирована узкая (3 мкм) полоска золотой пленки (2) толщиной 60 нм. Пучок (3) поляризованного монохроматического света от лазерного диода возбуждает в пленке 2 затухающие поверхностные плазмоны (4). Это – электромагнитная волна, связанная с волной плотности в электронной плазме металла. Ее кванты и называют плазмонами. Плазмоны распространяются вдоль полоски золота вправо, постепенно угасая. В конце полоски они частично отражаются от ее торца и начинают распространяться в противоположном направлении. Прямая и отраженная волны интерферируют, и возникает типичная картина стоячих волн, в пучностях которой амплитуда колебаний намного выше, чем в узлах.

Чтобы визуализировать эту картину, оптическим зондом (5) сканировалась область размером 8х10 мкм в конце золотой полоски 2. Острие оптического зонда поддерживалось на расстоянии 50 нм от поверхности золота. Это расстояние достаточно для того, чтобы в условиях ближнего поля (длина волны возбуждающего света в вакууме 633 нм) зонд взаимодействовал с плазмонами и передавал на фотодетектор фотоны, просачивающиеся в керн волокна. Возникновение фотонов в результате распада плазмонов условно обозначено цифрой 7. Количество фотонов, просачивающихся в оптическое волокно, пропорционально интенсивности поверхностных плазмонных колебаний в месте, над которым расположен кончик оптического зонда.

Результат визуализации показан на рис. 1.17 справа. Сверху показан масштабный штрих. На изображении можно различить детали размером меньше 100 нм, увидеть структуру стоячей плазмонной волны, а также быстро затухающих электромагнитных колебаний за концом золотой полоски. Ни один из других методов сканирующей зондовой микроскопии не предоставляет такой возможности.

Нанометрология

Развитие описанных выше методов микроскопии с разрешающей способностью порядка нанометров создал предпосылки для становления нового раздела метрологии, который называют "нанометрологией". Этот раздел метрологии анализирует, предлагает и стандартизирует методы и средства контроля размеров объектов и расстояний между ними в нанометровом диапазоне. В частности, в 1997 г. на сессии Консультативного комитета по метрологии были рекомендованы удобные для нанометрологии первичные эталоны метра и частоты, основанные на применении -лазера (гелий-неонового лазера, стабилизированного по поглощению парами молекулярного иода). Частота колебаний его излучения = 473612221470,5 кГц, а длина волны в вакууме = 632,99139822 нм. Использование света с точно известной длиной волны и современных интерферометров позволяет с высокой точностью калибровать координатные столы и пьезоэлектрические приводы зондовых микроскопов. В принципе это гарантирует возможность измерения нанометровых расстояний с точностью до 8-го десятичного знака после запятой, которая полностью удовлетворяет нужды наноэлектроники.

На сегодняшний день уже разработаны не только методики измерения нанометровых расстояний, но и материальные метрологические носители – эталонные меры с запрограммированным рисунком и точно измеренным нанорельефом. Именно такие эталонные меры и обеспечивают сейчас возможность точной калибровки электронных, туннельных, атомно-силовых и других микроскопов, работающих нынче во многих лабораториях мира.

В завершение лекции сделаем важное замечание. Следуя многолетней традиции, инструменты, позволяющие визуализировать объекты нанометровых размеров, мы продолжаем называть "микроскопами", хотя речь идет уже не о микро -, а о наноразмерах. Язык и, в частности, научная терминология, – это живая система, которая все время развивается. Поэтому кто-то когда-то должен набраться смелости и назвать выше описанные методы наблюдения и визуализации наноскопией. Такой термин значительно лучше и точнее отображал бы суть дела.