Развитие микроскопии ближнего поля и расширение области её применения

Микроскопия ближнего поля – это методы исследования, принцип работы которых основан на использовании малой диафрагмы, обеспечивающей излучение малого диаметра, или зонда, выполняющего ту же роль, близко поднесённых к изучаемому объекту.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) также относится к приборам микроскопии ближнего поля.

При наличии уникальных возможностей СТМ:

• неразрушающий характер анализа поверхности материала, обусловленный отсутствием механического контакта образца и низкой энергией туннелирующих электронов;
• разрешение на атомном уровне;
• получение реального трёхмерного изображения рельефа поверхности;
• работа не только в вакууме, но и на воздухе – область применения СТМ ограничивается проводящими объектами. Это ограничение связано с использованием эффекта туннелирования электронов для регистрирующего (сенсорного) и управляющего устройств. Использование сенсорных устройств, основанных на других физических принципах, позволяет расширить область применения микроскопов ближнего поля с остриём в качестве зонда.

Микроскопия ближнего поля бурно развивается. С каждым годом появляются новые конструкции микроскопов, которые благодаря своей относительной дешевизне внедряются не только в научно-исследовательские центры, но и на производстве. Рассмотрим принципы работы других, уже разработанных или только проектирующихся микроскопов ближнего поля [2].

Микроскоп атомных сил (МАС). В этом микроскопе в качестве сенсора использованы силы отталкивания (примерно 10^-9 Н), которые возникают при приближении зонда к поверхности на межатомное расстояние и являются результатом взаимодействия волновых функций электронов атомов зонда и образца. Последнее достижение в этой области – создание лазерного силового микроскопа, который измеряет силы отталкивания до 10^–11 Н на расстоянии до 20 нм, с разрешением порядка 5 нм. Такой инструмент удобен для исследования, например, неровностей поверхности элементов микросхем на всех этапах их изготовления.

Микроскоп магнитных сил (ММС). В приборе использован принцип силового микроскопа ближнего поля, где в качестве зонда применяется намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности. Разрешение микроскопа составляет около 25 нм, при размере доменов около 200 нм.

Микроскоп электростатических сил (МЭС). Острие и образец рассматриваются как конденсатор, а с помощью лазерного силового микроскопа измеряется изменение ёмкости до 10^-22 Ф с полосой пропускания 1 Гц. Микроскоп позволяет изучать изменение потенциала вдоль поверхности образца бесконтактным методом.

Оптический микроскоп ближнего поля. Принцип ближнего поля – малой диафрагмы, поднесённой близко к рассматриваемому объекту, даёт возможность повысить разрешение микроскопа

Максимальная разрешающая способность оптического микроскопа соответствует условию

d = l/2 А, (5)

где l – длина волны света, А – числовая апертура объектива.

Для освещения объекта наиболее часто применяют белый свет, длину волны которого можно принять l 550 нм. Максимальное значение числовой апертуры, достигаемое при использовании иммерсии, составляет А = 1,44. В соответствии с условием (5), разрешающая способность оптического микроскопа будет равна d 200 нм.

Если освещать образец через диафрагму с диаметром отверстия d, намного меньшим длины волны падающего света и регистрировать интенсивность проходящего через объект или отражённого от него излучения, то размер диафрагмы будет определять разрешение прибора. Так, для d<<550 нм получено разрешение около 50 нм, что существенно выше, чем у оптического микроскопа.

Расширение области использования микроскопов ближнего поля предусматривает их применение для записи и воспроизведения информации. Все перечисленные выше способы получения изображения в принципе могут быть использованы для этой цели. В качестве элемента, несущего бит информации, в зависимости от используемого микроскопа могут выступать: искусственный рельеф с минимальным размером элемента, равным диаметру одного атома (МАС); магнитная структура поверхности с минимальным размером, равным величине магнитного домена (ММС); неоднородность потенциала или заряда (МЭС).