Исследование взаимодействия терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом безапертурном ближнепольном микроскопе Самойлов, Леонид Леонидович

Введение к работе

Актуальность работы

Терагерцовая ближнепольная микроскопия - это один из новых развивающихся методов неразрушающей диагностики наноструктур. Исследования в терагерцовом спектральном диапазоне представляют исключительный интерес благодаря большому количеству спектральных особенностей различных материалов и веществ, широко востребованных, в частности, современной полупроводниковой промышленностью и медициной, а также рядом других направлений. Характерные размеры объектов таких исследований лежат между единицами нанометров и десятками микрометров, что формирует основные требования к методу диагностики подобных структур: регистрация спектральных особенностей в терагерцовом диапазоне в максимально возможном спектральном интервале и с максимально высокими пространственным и спектральным разрешением. Одним из перспективных методов решения данной задачи и является терагерцовая ближнепольная микроскопия, в основе которой лежит тесная интеграция методик сканирующей зондовой микроскопии и терагерцовой когерентной спектроскопии во временной области.

В основе метода лежит регистрация терагерцового ближнего поля, создаваемого исследуемым объектом, при помощи специально изготовленного зонда, который может представлять собой либо заостренный волновод с малой входной апертурой, либо просто конус. Пространственное разрешение, получаемое при помощи апертурных зондов, ограничено эффектами волноводной отсечки и низкой пропускной способностью самой апертуры, что не позволяет разрешить объекты с характерными размерами меньше десятков микрометров. Это ограничение можно обойти за счет применения безапертурных зондов, которые выступают в роли усилителя возбуждающего терагерцового поля и используются для переизлучения ближнего терагерцового поля исследуемого объекта в область дальнего поля.

Основным вопросом в интерпретации сигнала, полученного при помощи такого зонда, является анализ процессов, которые происходят в ходе взаимодействия возбуждающего поля как с исследуемым образцом, так и с самим зондом, и оценка их роли в итоговом сигнале. Попытки такого анализа проводились рядом зарубежных групп и ранее, однако полученные ими результаты не представляются согласованными и не образуют целостной модели, которая бы объясняла особенности такого взаимодействия. Таким образом, основополагающий вопрос о том, как зонд влияет на результирующее распределение ближнего поля и последующую интерпретацию зарегистрированного сигнала, остается открытым и, несомненно, актуальным для правильного понимания принципов работы терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

Цель работы состояла в исследовании особенностей взаимодействия возбуждающего терагерцового поля с исследуемым объектом, вблизи которого находится зонд безапертурного ближнепольного микроскопа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать способ выделения сигнала, обусловленного процессом взаимодействия ближнепольных компонентов терагерцового поля с исследуемым объектом, находящимся вблизи зонда безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования рассеяния терагерцового импульса, сфокусированного на зонде терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

3. Исследовать влияние геометрической формы зонда на эффект усиления ближнепольной компоненты терагерцового излучения, рассеянного на зонде терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

4. Исследовать влияние параметров модуляции зонда на спектральные характеристики рассеянного терагерцового излучения.

5. Провести экспериментальные исследования зависимости величины ближнепольной компоненты терагерцового поля от расстояния между зондом и поверхностью для различных сред, отличающихся величиной диэлектрической проницаемости.

6. Провести экспериментальные исследования распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах. На основе модели точечного диполя и модели антенны разработать теоретическую модель, достаточную для анализа экспериментальных результатов и для идентификации электронных свойств полупроводниковых структур в терагерцовом диапазоне.

Методы исследования:

Для проведения экспериментальных исследований процесса взаимодействия ближнепольной компоненты терагерцового электромагнитного поля с исследуемым объектом вблизи зонда атомно-силового микроскопа были использованы методы терагерцовой когерентной спектроскопии и терагерцовой ближнепольной микроскопии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложен способ регистрации сигнала, связанного с процессом взаимодействия ближнепольных компонентов терагерцового поля с исследуемым объектом, находящимся вблизи зонда безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, заключающийся в том, что общий сигнал рассеяния терагерцового излучения на системе «зонд- исследуемый объект» последовательно фильтруется сначала на частоте а₀ модуляции основного терагерцового излучения, а затем на частоте вертикальных колебаний зонда относительно исследуемого образца

^{ «о).

6. 1. При рассеянии сфокусированного гауссова терагерцового пучка на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, имеющем форму конуса c малым углом раствора либо тонкого цилиндра, в области неоднородной засветки на границе перехода от освещенной области к области тени происходит возбуждение дифракционной краевой волны.

   2. Амплитуда и спектральный состав терагерцового излучения, рассеянного на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, зависят от формы зонда и амплитуды модуляции вертикального положения зонда. Амплитуда терагерцового излучения, рассеянного на зонде безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, имеющем форму вогнутого конуса, превышает амплитуду терагерцового излучения, рассеянного на зонде в форме выпуклого конуса. Увеличение амплитуды модуляции вертикального положения зонда приводит к усилению фазовой модуляции рассеянного на зонде терагерцового излучения, что вызывает изменение спектрального состава регистрируемого терагерцового излучения.

   3. Аппроксимация экспериментального спектра, полученного при исследовании области полупроводниковой структуры в безапертурном ближнепольном терагерцовом микроскопе, спектром терагерцового ближнепольного сигнала, теоретически рассчитанным на основании модели точечного диполя и модели антенны для определенной концентрации носителей заряда, позволяет определить концентрацию носителей заряда в исследуемой области с разрешением до 100 нм.

   Научная новизна работы определяется результатами экспериментальных исследований, проведенных впервые, и обнаружением ряда новых эффектов:

   6. 3. 1. Впервые систематически исследовано, как характеристики терагерцового излучения, рассеянного на зонде терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа, зависят от формы зонда, параметров его модуляции, а также диэлектрической проницаемости исследуемого образца.

         2. Экспериментально показано, что зонды с вогнутым коническим профилем позволяют увеличить сигнал рассеяния по сравнению с зондами с выпуклым коническим профилем.

         3. Обнаружен эффект, связанный со спектральной перестройкой рассеянного зондом терагерцового излучения при увеличении амплитуды модуляции вертикального положения зонда.

         4. Впервые показано, что краевая дифракция происходит не только на концах ограниченного рассеивателя, но также и на границе перехода от области возбуждения к области тени.

         Достоверность полученных результатов обоснована тем, что предложенный способ регистрации терагерцового ближнепольного сигнала апробирован экспериментально, а результаты определения пространственного распределения концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах подтверждены независимыми оценками, сделанными на основе технологических параметров роста структуры.

         Практическая значимость результатов работы заключается в том, что:

         6. 3. 4. 1. Предложенный способ регистрации компонентов ближнего терагерцового поля позволяет выделить очень слабый сигнал рассеяния локального терагерцового поля на зонде.

                  2. Полученные результаты о влиянии формы зонда и амплитуды модуляции его вертикального положения на характеристики рассеянного терагерцового излучения могут быть использованы при выборе зондов и режимов работы терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

                  Практическая реализация результатов работы:

                  Результаты работы использовались при выполнении проектов в рамках грантов РФФИ и государственных контрактов Министерства образования и науки РФ. В рамках программы «У.М.Н.И.К.» проводилась НИР «Разработка метода исследования рассеяния терагерцового электромагнитного поля от поверхности образца вблизи заостренного зонда» (2010-2011 г.г.). Диссертант также был руководителем государственного контракта № 14.740.11.1241.

                  Апробация работы

                  Результаты диссертационной работы апробировались на ряде Международных и Российских конференций: International Symposium "Terahertz Radiation: generation and application" joined with Scientific School-Workshop (Novosibirsk, 2010), The International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (IRMMW-THz), (Rome, Italy, 2010; Houston, USA, 2011), EOS Annual Meeting (Paris, France, 2010), XL научная и учебно-методическая конференция Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Санкт-Петербург, Россия, 2011, 2013), Международная зимняя школа по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2011), VIII Международная конференция "Интенсивное микроволновое и терагерцовое излучение: источники и приложения" (Нижний Новгород - Санкт-Петербург, 2011), Х Российская конференция по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2011), Ежегодная международная конференция «Дни дифракции» (Санкт-Петербург, 2012), 3rd EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology (TST 2012) (Prague, Czech Republic, 2012), 2-nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications" (Москва, 2012), VII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики - 2012» (Санкт-Петербург, 2012), IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, 2013).

                  Публикации

                  Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

                  Личный вклад автора

                  Научным руководителем была сформулирована цель исследования. Диссертант принимал непосредственное участие в постановке и решении задач, проведении экспериментов, обработке, обсуждении и отборе полученных результатов, а также подготовке публикаций на их основе.

                  Структура и объем диссертации

                  Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 110 страниц, включая 50 рисунков и список литературы, содержащий 110 наименований.

                  Похожие диссертации на Исследование взаимодействия терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом безапертурном ближнепольном микроскопе

                  

                  Взаимодействие лазерного излучения с системой ближнепольный зонд-поверхностьМарциновский Михаил Борисович

                  Исследование взаимодействия излучения лазера с малоплотными средами Ho2O3, Y2O3Кунишев, Улугбек Сулайманович

                  

                  Исследование взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями глаза, содержащими флуоресцирующие фотосенсибилизаторыШевчик Сергей Александрович

                  

                  Одночастотный гольмиевый лазер с усилителем в режиме гигантских импульсов и исследование взаимодействия его излучения с водойТранев Виктор Николаевич

                  Экспериментальное исследование взаимодействия интенсивного лазерного излучения с капельным аэрозолем в режиме взрывного испарения частицКабанов, Андрей Михайлович

                  

                  Экспериментальное исследование взаимодействия низкокогерентного лазерного излучения с мишенями различной структурыФроня, Анастасия Андреевна

                  

                  Экспериментальное и теоретическое исследование нелинейного взаимодействия мощного фемтосекундного лазерного излучения с газами и плазмой в диэлектрических капиллярах Карташов Даниил Валерьевич

                  Экспериментальное исследование нелинейных эффектов при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с веществомСтепанов Андрей Николаевич

                  

                  Исследование взаимодействия струи благородного газа в вакууме с лазерной плазмой и лазерным излучением методами спектроскопии МР диапазонаМедников Константин Николаевич

                  Экспериментальные исследования динамических процессов на поверхности металлических зеркал при взаимодействии с интенсивным лазерным ИК-излучениемТрофименко, Александр Михайлович