Сенсор поверхности для сканирующего ближнеполевого оптического микроскопа

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СЕНСОР ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО БЛИЖНЕПОЛЕВОГО ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ясинский Валерий Маркович Смирнов Андрей Геннадьевич Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Сенсор поверхности для сканирующего ближнеполевого оптического микроскопа, содержащий пьезоэлектрический камертон, зонд, выполненный из оптоволокна с наноразмерным острием на конце, покрытым отражающим излучение слоем алюминия, и жестко прикрепленный к кожуху камертона вдоль оси камертона в плоскости зубцов камертона,жесткую перемычку, соединяющую зонд и ближайший к нему зубец камертона для передачи колебаний от камертона к колеблющейся части зонда от кожуха до острия, причем размеры, масса и места креплений перемычки и зонда согласованы с собственной частотой поперечных колебаний колеблющейся части зонда, отличающийся тем, что зонд выполнен из многомодового оптического волокна, пропускающего ультрафиолетовое излучение, с цилиндрической сердцевиной диаметром 1001000 мкм, последние 45 см которого представляют собой конус с образующей, составляющей угол 0,20,3 осью этого конуса, покрытый слоем алюминия толщиной 90110 нм вплоть до наноразмерного острия зонда, начинающегося при толщине конуса 4080 мкм, причем местонахождение и масса креплений перемычки к камертону и зонду соответствуют возбуждению вынужденных поперечных колебаний колеблющейся части зонда с частотой, равной любой из гармоник собственной частоты поперечных колебаний колеблющейся части зонда., 77, 033703, 2006. - . 033703-1 - 033703-7. Предлагаемая полезная модель относится к области оптики и электроники и может быть использована в ближнеполевой оптической микроскопии для получения оптического изображения поверхности микрообъектов со сверхразрешением, составляющим несколько десятков нанометров, а также позволит применять методы оптической спектроскопии для локальных исследований микробиологических и полупроводниковых объектов, модифицировать поверхности при сверхплотной записи информации и нанолитографии, избирательно воздействовать на элементы биоструктур. В настоящее время для исследования объектов, размер которых меньше дифракционного предела обычной оптики (т.е. 1,22 /2, где- длина волны света,- показатель преломления), широко используются сканирующие ближнеполевые оптические микроскопы (СБОМ). Принцип работы СБОМ заключается в сканировании поверхности образца зондом, который является источником (или приемником) оптического излучения с размерами, много меньшими длины волны света, на столь же малом расстоянии от поверхности(в ближнем поле). Это позволяет преодолеть дифракционный предел и получать сверхразрешение от рекордных 12 1 до нескольких десятков нанометров. В ряде модификаций СБОМ в качестве сенсоров поверхности (сенсоров силы) используют устройства на основе пьезоэлектрического вилочного камертона и зонда с острием, минимально достижимый размер которого составляет несколько десятков нанометров. Известен сенсор поверхности для СБОМ, состоящий из пьезоэлектрического камертона и зонда в виде покрытого алюминием, цилиндрического по форме одномодового оптического волокна диаметром 125 мкм, прикрепленного к одному из зубцов камертона 2. На конце волокна имеется коническое заострение длиной несколько десятков микрометров, полученное химическим травлением в мениске смачивания на границе двух жидкостей со специально подобранными коэффициентами смачивания и покрытое затем тонким слоем алюминия. Ввод излучения в данное волокно, имеющее сердцевину малого диаметра 510 мкм, вызывает определенные технические трудности, велики потери энергии излучения при вводе, кроме того, данное волокно не пропускает излучение с длиной волны в ультрафиолетовой области спектра. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является сенсор 3, состоящий из пьезоэлектрического камертона и зонда в виде оптического волокна диаметром 125 мкм, жестко прикрепленного к кожуху камертона и соединенного жесткой перемычкой с ближайшим зубцом камертона вдоль оси камертона в плоскости зубцов камертона и имеющего наноразмерное острие, покрытое тонким слоем алюминия. Перемычка служит для передачи колебаний от камертона к колеблющейся части зонда (т.е. от места жесткого крепления к кожуху до острия), причем размеры, масса и места креплений перемычки и зонда согласованы с собственной частотой поперечных колебаний колеблющейся части зонда таким образом, что частота колебаний камертона соответствует второй гармонике собственной частоты поперечных колебаний колеблющейся части зонда. Однако,несмотря на согласование частот, способствующее частичному сохранению добротности колебательной системы сенсора, колеблющаяся часть зонда все же имеет довольно большую массу, что заметно уменьшает добротность колебательной системы сенсора и, как 2 73452011.06.30 следствие, снижает его чувствительность. Кроме того, данный зонд также не пропускает ультрафиолетовое излучение. Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение функций сенсора поверхности (силы) СБОМ при условии эффективного ввода в зонд сенсора оптического излучения, возможности передачи по зонду ультрафиолетового излучения, минимизации потерь чувствительности сенсора, происходящих по причине сравнительно большой массы вибрирующей части зонда. Предлагаемый сенсор поверхности для сканирующего ближнеполевого оптического микроскопа включает следующие элементы пьезоэлектрический камертон, зонд, выполненный из оптоволокна с наноразмерным острием на конце, покрытым тонким слоем алюминия, и жестко прикрепленный к кожуху камертона вдоль оси камертона в плоскости зубцов камертона, жесткая перемычка, соединяющая зонд и ближайший к нему зубец камертона для передачи колебаний от камертона к колеблющейся части зонда от кожуха до острия, причем размеры, масса и места креплений перемычки и зонда согласованы с собственной частотой поперечных колебаний колеблющейся части зонда. Устройство обладает следующими отличительными признаками зонд, выполненный из многомодового оптического волокна, пропускающего ультрафиолетовое излучение, с цилиндрической сердцевиной диаметром 1001000 мкм, последние 45 см которого представляют собой конус с образующей, составляющей угол 0,20,3 с осью этого конуса,покрытый слоем алюминия толщиной 90110 нм вплоть до наноразмерного острия зонда,начинающегося при толщине конуса 4080 мкм, местонахождение и масса креплений перемычки к камертону и зонду, соответствующие возбуждению вынужденных поперечных колебаний колеблющейся части зонда с частотой, равной любой из гармоник собственной частоты поперечных колебаний колеблющейся части зонда. Сущность полезной модели поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 приведена фотография одного из экземпляров предлагаемого устройства, реализованных авторами настоящей заявки для исследования эксплуатационных характеристик предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство состоит из пьезоэлектрического камертона 1 в полуоткрытом жестком кожухе 2, зонда 3 с наноразмерным острием 4, жестко соединенного креплением 5 с кожухом 2, перемычки 6, соединяющей зонд 3 и камертон 1 в местах креплений 7 и 8. Устройство работает следующим образом. Сенсором комплектуется СБОМ. Пьезоэлектрический камертон 1 осциллирует с частотой приблизительно 33 кГц. Перемычка 6 передает колебания колеблющейся части зонда 3. При приближении наноразмерного острия 4 зонда к поверхности исследуемого объекта на зонд начинают действовать так называемые боковые силы ( ), уменьшающие, в частности, амплитуду колебаний колебательной системы сенсора, что фиксируется электронной системой СБОМ, в составе которого используется сенсор. Сканируя острием зонда поверхность исследуемого объекта и регистрируя, например, значения амплитуды колебаний колебательной системы сенсора, можно получить топографическое изображение профиля поверхности. По зонду может передаваться световое излучение, в том числе в ультрафиолетовой области спектра,к исследуемому объекту или от него в зависимости от целей и методов исследования. Благодаря этому можно получить, в частности, оптическое изображение поверхности со сверхразрешением. Возможность реализации предлагаемой полезной модели подтверждена экспериментально. На фиг. 2 приведена фотография сенсора для СБОМ, реализованного экспериментально авторами настоящей заявки. Конический конец зонда, изготовленного авторами из оптоволокна с диаметром сердцевины 400 мкм, проводящего ультрафиолетовое излучение, методом динамического травления в плавиковой кислоте, имеет длину 4 см, угол между образующей конуса и его осью составляет примерно 0,236. Коническая часть зонда для минимизации потерь светового излучения покрыта отражающим излучение слоем 3 73452011.06.30 алюминия толщиной примерно 100 нм методом вакуумного напыления. Сравнительно большой диаметр сердцевины многомодового оптоволокна и медленно сужающийся конический конец зонда обеспечивает весьма благоприятные условия для эффективного ввода оптического излучения в волокно и транспортировки его к наноразмерному острию. Возможность передачи оптического излучения, включая ультрафиолетовый диапазон от зонда к поверхности объекта или наоборот, предоставляет дополнительные возможности,например, для модификации поверхности или спектроскопии, что в ряде случаев нужно делать именно с помощью ультрафиолетового излучения. При толщине конической части зонда примерно 70 мкм начинается наноразмерное заострение, полученное авторами данной заявки при травлении в мениске смачивания конического конца зонда на границе плавиковой кислоты и вакуумного масла ВМ-5. В месте, находящемся на расстоянии не менее 4,8 мм до наноразмерного заострения, конец зонда жестко соединен с кожухом камертона. Колеблющаяся часть зонда на протяжении от кожуха до острия имеет массу,примерно в 2,6 раза меньшую, чем колеблющаяся часть зонда прототипа устройства в 3,имеющая до наноразмерного острия диаметр 125 мкм. Кварцевая перемычка диаметром 40 мкм, соединяющая зонд и ближайший к нему зубец камертона в изготовленном экземпляре устройства, имеет достаточную жесткость для передачи колебаний. Оптимальное местонахождение соединений перемычки с зондом и камертоном может определяться как расчетным образом, так и экспериментально в зависимости от геометрии не закрепленной жестко части зонда с целью согласования частоты колебаний пьезоэлектрического камертона, которая находится в пределах 3233 кГц, с собственной частотой поперечных колебаний колеблющейся части зонда. Соответствие частоты камертона любой из гармоник частоты собственных колебаний колеблющейся части зонда обеспечивает существенное увеличение добротности колебательной системы сенсора, что легко регистрируется экспериментально электронной системой СБОМ. Достижение максимальной добротности колебательной системы однозначно указывает на оптимальную геометрическую конфигурацию устройства. Зарегистрированные значения добротности изготовленных авторами данной заявки экземпляров устройств находятся в пределах 40008000, что является достаточно высоким значением и подтверждает работоспособность предлагаемой полезной модели. Таким образом, предлагаемое устройство применимо для выполнения поставленной задачи. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4