Апертурний та безапертурний СБОМ

Одним з найбільш активно розвиваються в даний момент розділів нанофотоніки є ближньопільна оптична мікроскопія. Нанофотоніка дозволяє отримувати просторову роздільну здатність, що перевищує дифракційну межу, що в свою чергу, відкриває широкі можливості для мікроскопії (СБОМ). При опроміненні нанооб'єктів, поблизу нього виникає локалізоване поле, яке швидко зменшується з відстанню. Є два способи для створення ближнього поля в СБОМ (рис. 2.1). У першому випадку рисунку 2.1а (cтрілки з суцільними лініями відповідають падаючому випромінюванню, а пунктирні лінії - випромінюванню сигналу) використовується мала апертура на кінці оптичного волокна з металевим покриттям. Світло йде по волокну і опромінює невелику область поблизу торця волокна (п. 1.2). В цьому випадку просторова роздільна здатність визначається діаметром апертури (10-100 нм). У другому (безапертурном) випадку (рис. 2.1б) ближнє поле створюється опроміненням кінця металевої голки. Просторова роздільна здатність наближається до атомним масштабами і визначається радіусом кривизни кінця голки (1-20 нм). Схема установки для СБОМ представлена на рисунку 2.2.

а) б)

Рисунок 2.1 – Схема апертурного (а) і безапертурного (б) СБОМ [6]

Рисунок 2.2 – Схема установки для СБОМ [6]

У мікроскопії ближнього поля в якості джерела електромагнітного поля використовується видиме світло, а основні фізичні процеси відбуваються в області з розмірами менше довжини хвилі, тобто в ближній зоні, де структура поля може бути визначена в рамках електростатичного наближення. У апертурному мікроскопі ближнього поля гранична роздільна здатність визначається розміром отвору (і глибиною скін-шару в металевому покритті голки) і становить десятки нм. Однак, при зменшенні розмірів отвору різко зменшується інтенсивність вихідного з скловолоконної голки "тунелюючого" поля (при зменшенні діаметра звужуючого скловолоконного хвилеводу менше інтенсивність сильно убуває, - довжина хвилі світла). При цьому різко падає чутливість методу.

Цікаві можливості являє безапертурний мікроскоп ближнього поля, в якому голка скануючого тунельного мікроскопа поміщається під зовнішнє електромагнітне поле. Це може бути випромінювання лазера, сфокусоване в область під голкою, поле повного внутрішнього відображення, коли підсвічування здійснюється знизу, поле поверхневого поляритону і так далі. У безапертурном методі повинна вимірюватися інтенсивність розсіяного поля в далекій зоні, яка визначається структурою поля на малих відстанях, при цьому проблема полягає у відновленні правильної картини досліджуваної поверхні по виміряним полю в дальній зоні. Перевагою безапертурного методу є відсутність вищезгаданого експоненціального зменшення поля і пов'язаного з ним падіння чутливості.

Для дослідження використовується метод комп'ютерного моделювання - метод кінцевих різниць для рівняння Максвелла в тимчасовій формі (Finite-DifferenceTime-Domain - FDTD). Електродинамічні рівняння Максвелла приватних похідних, сформульовані в 1873 р., є фундаментальним об'єднанням електричних і магнітних полів. FDTD відноситься до класу сіткових методів розв'язання рівнянь. Даний метод заснований на нестандартній дискретизації простору з використанням центрально-різницевої апроксимації за часом і просторовим координатам. Так як метод працює під часової області, то він застосовний в широкому частотному спектрі, починаючи від мікрохвиль і закінчуючи видимим частотним діапазоном.

В даний час відсутні аналітичні розрахунки розподілу поля для вістря в реалістичній геометрії, і зазвичай розглядаються прості модельні системи типу циліндра або сферичної частинки. Розрахунок полів в реалістичній геометрії голки виявляється значно складнішим [6].