Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы исследования малых объектов, линейные размеры которых значительно меньше длины волны оптического видимого излучения 10
Глава 2. Линейные стационарные оптические размерные резонансы в двухатомных наноструктурных объектах 25
2.1. Введение 25
2.2. Оптическое поле внутри двухатомного малого объекта. Уравнения движения связанных классических осцилляторов 26
2.3. Эффективные поляризуемости атомов в объекте 29
2.4. Оптическое поле вне малого объекта на частотах размерных резонансов 41
2.5. Уравнения движения квантовых связанных диполей 42
2.6. Квантовые эффективные поляризуемости атомов в двухатомном объекте... 44
2.7. Линейные стационарные оптические размерные резонансы в двухатомном наноструктурном объекте, составленном из двух разных атомов 46
2.8. Выводы 47
Глава 3. Линейные стационарные оптические размерные резонансы в димерах на поверхности изотропных сред при анизотропном отражении света 49
3.1. Введение 49
3.2. Два взаимодействующих дипольных осциллятора на поверхности полубесконечного изотропного диэлектрика в поле непрерывного оптического излучения 50
3.2.1. Погашение внешней волны на плоской поверхности с учетом двухатомного объекта на поверхности 55
3.3. Эффективные поляризуемости атомов двухатомного наноструктурного объекта с учетом поляризующего влияния подстилающей среды при нормальном падении света 56
3.4. Отражение плоской волны на резкой границе раздела двух сред с учетом инородных атомов на границе 61
3.5. Спектроскопия анизотропного отражения чистых (100) поверхностей GaAs, реконструированных мышьяком 63
3.6. Выводы 69
Глава 4. Одноатомный оптический ближнепольный микроскоп на основе оптических размерных резонансов (NFOMSR) 71
4.1. Введение 71
4.2. Оптическая схема одноатомного оптического ближнепольного микроскопа на основе оптических размерных резонансов 73
4.3. Основные уравнения оптической ближнепольной микроскопии 75
4.4. Эффективные поляризуемости атома-зонда и атома образца в оптическом ближнепольном микроскопе с учетом поляризующего влияния полубесконечной диэлектрической среды 83
4.5. Предельная пространственная разрешающая способность и чувствительность одноатомного оптического ближнепольного микроскопа 86
4.6. Выводы 90
Заключение 91
Список литературы 94
- Оптическое поле внутри двухатомного малого объекта. Уравнения движения связанных классических осцилляторов
- Два взаимодействующих дипольных осциллятора на поверхности полубесконечного изотропного диэлектрика в поле непрерывного оптического излучения
- Спектроскопия анизотропного отражения чистых (100) поверхностей GaAs, реконструированных мышьяком
- Эффективные поляризуемости атома-зонда и атома образца в оптическом ближнепольном микроскопе с учетом поляризующего влияния полубесконечной диэлектрической среды
Введение к работе
В настоящее время значительно повысилась точность прецизионных измерений физических параметров традиционных объектов исследования таких, как кластеры, поверхность твердых тел, тонких и сверхтонких пленок на поверхности твердых тел и жидкостей. Разрешающая способность современных ближнепольных оптических микроскопов достигает нескольких десятков нанометров, и ведутся активные теоретические и экспериментальные исследования по повышению разрешающей способности оптических приборов до субнанометровых размеров. Наряду с традиционными объектами исследования в настоящее время значительный научный и прикладной интерес вызывают такие новые объекты, как квантово-размерные системы [1,2] (квантовые точки [3] и квантовые нити [4]), диэлектрические микрошары, коллоидные частицы на поверхности твердых тел, димеры на поверхности твердых тел и в газах, сверхтонкие пленки [5, 6], а также биологические объекты, составленные из небольшого числа атомов и молекул [7, 8]. Можно отметить также, задачи связанные с исследованиями в области квантовых вычислений [9] и сопутствующих им проблем квантовой криптоірафии [10]. Все это требует пересмотра существующих теоретических и экспериментальных методов исследования. Так, макроскопические уравнения Максвелла не могут быть использованы для правильного описания перечисленных объектов. Как показано в [11], введение нелокальных микроскопических уравнений электродинамики позволяет решать принципиально новые задачи, в которых учитываются внутренние свойства нан о структурных и субнаноструктурных объекгов.
Развитый в работах [12-18] математических аппарат нелокальных микроскопических уравнений позволяет построить теоретические модели рассматриваемых систем. В настоящей диссертации на основании предложенного подхода рассматривается одна из задач квантовой электродинамики, а именно: исследование поведения системы двух взаимодействующих диполей в поле оптического излучения, и, в частности, предлагается эффективный метод исследования поверхностей твердых тел с использованием описанного в данной работе эффекта появления в спектре отражения (прохождения) света новых пиков, связанных с диполь-дипольным взаимодействием внутри наноструктурных объектов образованных атомами на поверхности исследуемых тел.
Цель работы.
Целью работы является разработка теоретических основ нового метода оптической ближнепольной микроскопии с разрешающей способностью порядка нескольких нм на основе эффекта оптических размерных резонансов в системе взаимодействующих атомов.
Для достижения указанной цели требуется решение граничной задачи, в которой внешнее поле взаимодействует с поверхностью, на которой находятся инородные атомы. Для решения поставленной задачи применяется метод, основанный на интегральных уравнениях для нолевых переменных и соответствующих материальных уравнений для связанных квантовых диполей.
Методы исследования.
Для решения поставленной задачи и проверки исходных предположений был использован комплекс методов исследования, включающий в себя обзор литературы по рассматриваемой проблеме, аналитические методы теоретического анализа, численное моделирование, методы статистической обработки полученных результатов с применением специализированных прикладных компьютерных программ.
Исследование проводилось в несколько этапов: (2001-2002) - на основе системы двух взаимодействующих дипольных моментов в поле оптического излучения предложен принцип действия оптического ближнепольного микроскопа на основе узких светоиндуцированных стационарных размерных резонансов в системе атом на торце световода - атом образца; решена задача экспериментального обнаружения линейных размерных резонансов на чистой поверхности арсенида галлия, восстановленной мышьяком. (2003) - обобщение и систематизация результатов исследования.
Научная новизна.
Совокупность полученных в ходе работы результатов заключает в себе решение следующих научных проблем: осуществлен теоретико-методологический анализ теории линейных размерных резонансов в двухатомном наноструктурном объекте, состоящем из двух одинаковых или различных атомов, с учетом и без учета подстилающей диэлектрической среды. Получено решение, в результате которого была решена задача экспериментального обнаружения линейных размерных резонансов на чистой поверхности арсенида галлия, восстановленной мышьяком; предложен новый принцип действия оптического ближнепольного микроскопа и разработаны методологические предпосылки для описания систем ближнепольиой микроскопии наноструктурных объектов.
Практическая значимость исследования.
Содержащиеся в работе теоретические положения могут служить основанием для разработки новых методов исследования наноструктурных объектов на поверхности твердых тел, неразрушающего контроля и исследования микроскопических биологических объектов, стать базой для разработки систем ближнепольиой микроскопии, а также положить основу для создания новых прецизионных приборов для изучения указанных объектов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Решена граничная задача взаимодействия оптического излучения с поверхностью непрерывной оптической среды при наличии на поверхности димеров. Доказано, что поляризующее влияние подложки сильно изменяет частоты линейных стационарных оптических размерных резонансов в димерах.
Доказано, что линейные стационарные оптические размерные резонансы обнаружены экспериментально в спектрах анизотропного отражения света на поверхности арсенида галлия в димерах мышьяка.
Разработан алгоритм, позволяющий анализировать спектральные свойства отдельных атомов в димерах на поверхности диспергирующей среды по спектрам анизотропного отражения света.
Дано теоретическое обоснование метода одноатомной оптической ближнепольной микроскопии на основе оптических линейных стационарных размерных резонансов с пространственным разрешением порядка нескольких нм и проведены численные эксперименты, иллюстрирующие возможности этого метода.
Апробация и внедрение результатов исследования.
Основные теоретические положения и выводы нашли отражение в семи печатных работах. Список работ приведен в конце диссертации.
По материалам диссертации были представлены доклады и тезисы на следующие конференции: V Всероссийская молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2001); Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2002); V Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2003). Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в Ульяновском государственном университете на физико-техническом факультете.
Структура диссертации.
Структуру диссертационной работы можно представить следующим образом: общий текст диссертации включает в себя введение, четыре главы, заключение и список цитируемой литературы.
Оптическое поле внутри двухатомного малого объекта. Уравнения движения связанных классических осцилляторов
В последнее время интенсивно проводятся исследования наноразмерных систем, таких как квантовые точки, молекулярные комплексы на поверхности [19-21]. Такие исследования требуют применения способов, с помощью которых можно получать информацию о системе, не разрушая ее. Наиболее адекватным неразрушающими методами контроля являются оптические методы. Обычная оптическая микроскопия в таких ситуациях становится непригодной, поскольку существует физический предел минимального расстояния между двумя точками, при котором нет возможности различить эти точки. Это расстояние называется дифракционным пределом разрешения и определяется как d = d .
Здесь а определяется геометрией эксперимента, Х- длина волны света, п показатель преломления окружающей среды, а 0- угол, под которым видно объектив из данной точки объекта. Из данного выражения видно, что для уменьшения дифракционного предела разрешения нужно уменьшать длину волны света, который используется при исследовании, и увеличивать показатель преломления. Но даже с использованием ультрафиолетовых источников и применением современных технологий при изготовлении объективов минимальное расстояние сі остается на уровне 200 нм при использовании обычной оптической микроскопии. И это ограничение можно обойти, лишь принципиально изменяя механизм получения изображения. Так, использование электронов вместо фотонов значительно уменьшает дифракционную границу, поскольку длина волны электрона много меньше длины волны фотона. Но для использования такого микроскопа необходим высокий вакуум, что не всегда приемлемо. Основные идеи построения оптического микроскопа с большой разрешающей способностью были впервые высказаны в 1928 г. [22]. И хотя технологии того времени не позволяли воплотить в жизнь эти идеи, предложенные технологические решения сформировали основы для создания прибора, с помощью которого можно выйти за пределы приведенного выше ограничения. Основной идеей является освещение исследуемого объекта светом через отверстие с размерами, меньшими, чем длина волны света. При этом расстояние между отверстием и объектом также должно быть значительно меньше длины волны используемого света. В этом случае можно сказать, что свет не успевает дифрагировать, приводя в конечном итоге к тому, что разрешающая способность не зависит от длины волны, а только от размеров отверстия. При формировании изображения отверстие (зонд) двигается вдоль поверхности объекта и синхронно с этим записывается оптический отклик системы. Эти идеи были забыты до 1972 г., когда с использованием микроволнового излучения с длиной волны около 3 см экспериментально была достигнута разрешающая способность А. /60 [23]. И только в 1984 г. был продемонстрирован первый оптический микроскоп ближнего поля, в котором разрешающая способность достигала А/20 [24]. Этот успех стимулировал дальнейшее развитие различных конфигураций оптической сканирующей микроскопии ближнего поля (scanning near-field optical microscopy). Различные системы SNOM рассмоіреньї в [25].
Однако для всех многочисленных конфигураций общим является принцип детектирования световых полей с высокой пространственной частотой и экспоненциально убывающих при удалении от объекта. То есть, эти так называемые эванесцентные поля локализованы вблизи объекта. Поскольку в среднем эванесцентные поля не переносят энергию, то для регистрации детектором, находящимся на некотором расстоянии от объекта, их необходимо преобразовать в поля, компоненты которых распространяются в среде. Для этого в настоящее время используются два различных метода. Первый заключается в том, что на нанорасстояниях от объекта разметается зонд с характерными размерами, меньшими длины волны используемого излучения. Величина поля, рассеиваемого зондом, очевидно, пропорциональна интенсивности эванесцентного поля в точке нахождения зонда. Перемешая зонд вдоль поверхности объекта и детектируя рассеянное излучение с помощью обычного оптического детектора, находящегося в дальней зоне, можно получить изображение объекта с разрешением, превышающим дифракционный предел. Другой, более распространенный подход состоит в использовании в качестве зонда заостренного конца оптического волокна. В этом случае, если кончик волокна находится в ближней зоне, то он рассеивает эванесцентные поля в том числе в волоконные моды, и, таким образом, вдоль волокна в направлении детектора распространяется волна, характеристики которой зависят от локального поля в точке нахождения зонда. Последний метод обратим. То есть, объект может быть освещен излучением из кончика волокна и проходящее (или отраженное) излучение должно детектироваться. В обоих случаях рекомендуется покрыть конец волокна слоем металла так, чтобы оставалась только небольшая прозрачная область на самом кончике волокна. Этот прием позволяет улучшить разрешение [25], хотя и уменьшает величину детектируемого сигнала.
Возможность улучшения на порядок и более локальности оптических методов исследования поверхности весьма существенна при решении широкого круга научных и прикладных задач. Анализируя взаимодействие света с неоднородной поверхностью методами обычной оптики, приходится усреднять влияние многих дефектов, находящихся в пределах облучаемого участка. Применение БСОМ (ближнепольный сканирующий оптический микроскоп) облегчает исследование отдельных неоднородностей нанометрового размера. Первым подтверждением этой особенности стало обнаружение одночастичных плазмонов, возбуждаемых светом в металлизированных латексных сферах [26-28].
К числу объектов, для которых проблема локальности оптического анализа играет первостепенную роль, относятся гетероструктуры с квантово-размерными свойствами. В них с помощью БСОМ удается не только локализовать отдельные центры, что само по себе представляет значительный интерес, но и разделить их спектры. Такие исследования дают ценную информацию как о структурных особенностях системы, в том числе о шероховатости (на атомном уровне) границ раздела, так и о механизме диффузии и распада квазичастиц типа экситонов. Исследования в БСОМ эффекта наведенного фототока позволяют выявлять приповерхностные дефекты в полупроводниковых образцах с разрешением почти на порядок лучше, чем разрешение широко используемых на практике методов ОВІС и EBIC (optical / electron beam induced current) [29].
Два взаимодействующих дипольных осциллятора на поверхности полубесконечного изотропного диэлектрика в поле непрерывного оптического излучения
Нельзя не отметить экзотические задачи, появляющиеся при изучении биологических систем. Так в работе [8] рассмотрен эффект смещения по частоте вторичного излучения хромофора, играющего роль релаксационного центра в простейшей модельной трихромофориой молекулярной «светособирающей» антенне. Отмечены особенности спектров возбуждения линии комбинационного рассеяния и смещенной по частоте флуоресценции реакционного центра рассматриваемой молекулярной системы. Показано существенное влияние мнимой части квантово-электродинамического потенциала, приводящего к «некогерентному» перераспределению энергии возбужденного состояния.
Исследование размерных эффектов в полупроводниковых структурах с пониженной размерностью является одним из интенсивно развивающихся направлений физики твёрдого тела. Большое внимание уделяется изучению квазинульмерных структур, представляющих собой полупроводниковые микрокристаллы, выращенные в различных диэлектрических средах. Установлено, что спектры собственного поглощения таких микрокристаллов определяются эффектом размерного квантования энергетического спектра пространственно ограниченных электронно-дырочных пар и хорошо описываются в рамках метода эффективной массы [51J. Целью работы [51] было выяснение возможности оптической спектроскопии при определении параметров полупроводниковых квантовых точек (нанокристаллов), выращенных в прозрачной боросиликатной матрице. К основным факторам, усложняющим применение оптической спектроскопии для определения параметров квантовых точек, можно отнести дисперсию распределения по размерам и сложный компонентный состав.
Необходимо отметить рост интереса исследователей к низкоразмерным системам: одномерным (квантовые проволоки) и нульмерным (квантовые точки). Развитие современных методов получения подобных систем способствует прогрессу в изучении особенностей физических свойств данных низкоразмерных твердотельных объектов. Наиболее яркие проявления квантово-размерных свойств веществ наблюдается в оптических спектрах, а анализ оптических спектров является эффективным методом исследования фазового состояния вещества, его фононного спектра и особенности взаимодействия возбуждённых состояний низкоразмерных систем со светом.
Внимание к свойствам низкоразмерных структур продиктовано как фундаментальным интересом к неизвестным физическим свойствам таких систем, так и потенциальным практическим применением в электронных и оптоэлектронных приборах. Кроме того, своеобразие весьма мелкой частицы заложено в большом отношении величины её поверхности к объёму. Это причина того, что по мере уменьшения частицы становятся всё более отчетливыми спектральные признаки и особенности поверхностных атомов и ионов. Создаются возможности изучения свойств поверхности и в более широком смысле - её физики и химии, что представляет собой одну из интересных задач не только современной науки о твёрдом теле, но до некоторой степени и техники.
Существует еще целый ряд задач, определяющим в решении которых является понимание процессов происходящих в наноструктурных объектов, одна из них и представлена в настоящей работе.
Оптические свойства наноструктурных объектов, получаемых с помощью современных технологий, таких как агрегаты [52, 53], димеры [54, 55] на поверхности чистых поверхностей твердых тел, сверхтонкие пленки [56, 57], квантовые нити [58] и квантовые точки [59], атом-зонд вблизи поверхности [11, 60], кластеры [61-63] и т.д. могут быть положены в основу разработки уникальных оптических методов исследования и создания на их основе уникальных оптических приборов. Данная глава посвящена теоретическому исследованию двухатомных наноструктур с помощью оптического излучения. Примером такой наноструктуры может быть димер на поверхности твердого тела [55]. С нашей точки зрения, полное представление об оптических свойствах таких наноструктур в значительной степени определяет оптические свойства и более сложных наноструктурных объектов.
В работах [17, 18] был теоретически предсказан эффект ближнего поля, в котором диэлектрики рассмотрены как дискретно-непрерывная оптическая среда в отличие от традиционной концепции о непрерывном диэлектрике [11, 64]. В работах [17 , 18], а также в последующих работах [56, 57, 65], было показано, что структурный фактор, связанный с дискретным распределением атомов вблизи точки наблюдения, значительно влияет на отражательную и пропускательную способность поверхности, на показатель преломления приповерхностного слоя, на оптические свойства сверхтонких пленок, на время жизни возбужденного атома вблизи поверхности. В работе [66] эффект ближнего поля был положен в основу записи квантовой информации на отдельных атомах двухатомного квантового компьютера с помощью интенсивного квазирезонансного излучения, меняя угол падения внешней волны. Считывание квантовой информации может быть проведено с помощью пробного излучения на основе полученного в [67] решения системы уравнений для дипольных осцилляторов. В данной главе будет показано, что внутреннее взаимодействие атомов в поле излучения может заметно изменять спектральные свойства наноструктур при воздействии оптических полей. Будет также показано, что два одинаковых или различных атома, имеющих изолированные резонансы, в поле оптического излучения приобретают, так называемые, размерные резонансы, частоты которых сильно зависят от межатомного расстояния и ориентации оси наноструктурного объекта относительно направления распространения внешней волны.
Спектроскопия анизотропного отражения чистых (100) поверхностей GaAs, реконструированных мышьяком
Двухатомный наноструктурный объект, состоящий из различных атомов, обладает четырьмя линейными стационарными оптическими размерными резонансами. Численный анализ формул (2.24) позволяет выделить ряд характерных свойств этих резонансов. 1. Местоположение линейных стационарных размерных резонансов на оси волновых чисел сильно зависит от межатомного расстояния. 2. Двухатомный наноструктурный объект обладает светоиндуцированной анизотропией, так как a ij) a lf{j), хотя отдельные атомы объекта характеризуются изотропными поляризуемостями. 3. Двухатомный наноструктурный объект, состоящий из двух разных атомов, обладает четырьмя узкими (ширина порядка 10 см" при /:. = 10" с.) размерными резонансами, два из которых обладают отрицательной дисперсией. 4. Наноструктурный объект, состоящий из двух одинаковых атомов, обладает всего двумя размерными резонансами с положительной дисперсией. 5. Изменение поляризации внешнего поля излучения по отношению к оси объекта сопровождается изменением частот оптических размерных резонансов. 6. Уменьшение времени фазовой релаксации приводит к уменьшению эффективных поляризуемостей атомов объекта, однако местоположение оптических размерных резонансов на оси волновых чисел остается без изменения. При этом знак дисперсии может меняться при плавном изменении времени жизни возбужденных состояний атомов объекта 7. Местоположение линейных стационарных размерных резонансов на оси волновых чисел сильно зависит от дипольных моментов перехода в спектре изолированных атомов, составляющих наноструктурный объект [70].
В данной главе показано существование в атомных наноструктурах оптических размерных резонансов, частоты которых существенно отличаются от собственных частот в спектре изолированных атомов. Доказательство проведено на примере двухатомных наноструктурных объектов. В качестве таких объектов подразумеваются димеры на поверхности твердых тел, когда значения собственных частот атомов и их поляризуемости определяются их взаимодействием с поверхностью и их расположение относительно кристаллографических осей поверхности является фиксированным. В этом случае представляется возможность исследования димеров с помощью внешнего оптического поля излучения с различными направлениями поляризации так, как это делается, например, в экспериментах [55] в димерах мышьяка на чистой поверхности GaAs.
Число различных резонансов в наноструктуре связано с числом атомов в ней и тем, являются ли эти атомы одинаковыми или разными. В двухатомной наноструктуре возникают два размерных резонанса вместо одного собственного резонанса, если атомы являются одинаковыми. В случае различных атомов в двухатомном наноструктурном объекте возникают четыре размерных резонанса вместо двух собственных резонансов.
Переменное поле наноструктурного объекта в волновой зоне сильно зависит от частоты внешнего поля. При совпадении его частоты с частотой одного из размерных резонансов интенсивность поля в волновой зоне возрастает приблизительно в 10 " раз по сравнению с интенсивностью поля наноструктуры на частотах собственных резонансов.
В данной главе были рассмотрены линейные стационарные размерные резонансы возникающие в двухатомном наноструктурном объекте в слабом поле излучения, когда эффективные поляризуемости атомов линейно зависят от внешнего поля.
В работах [II, 71, 72] было получено новое решение уравнений движения для атомных и полевых переменных двухатомных квантовых и классических систем. Было показано, что на малых (порядка нанометра) межатомных расстояниях при учете диполь - дипольного взаимодействия в двухатомных объектах, состоящих из одинаковых или различных атомов, возникают, так называемые, размерные резонансы на частотах, существенно отличающихся от собственных частот атомов объекта. Было показано также, что свойства оптических размерных резонансов сильно зависят от межатомного расстояния, от поляризации и интенсивности внешнего поля излучения, от начальных инверсий атомов и от длительности облучения двухатомного наноструктурного объекта.
В работах [73-75] оптические переходы чистых поверхностей (100) GaAs с реконструкцией (2x4) и (4x2) исследовались методом спектроскопии анизотропного отражения [76]. Эта методика измеряет, как функции энергии светового кванта, нормированную разность коэффициентов отражения света, линейно поляризованного вдоль главных осей поверхности, и позволяет регистрировать поляризованные оптические переходы между электронными состояниями чистых реконструированных поверхностей (100) кубических полупроводников А3В5.
Эффективные поляризуемости атома-зонда и атома образца в оптическом ближнепольном микроскопе с учетом поляризующего влияния полубесконечной диэлектрической среды
В настоящей главе предложен принцип действия оптического ближнепольного микроскопа на основе линейных стационарных оптических размерных резонансов в системе атом-зонд - атомы образца. Будет показано, что такой микроскоп обладает высокой чувствительностью, пространственной разрешающей способностью нескольких нм и не имеет ограничений в выборе исследуемых образцов. Будет исследовано распределение оптических полей в волновой и ближней зонах в ближнепольном микроскопе на частотах, близких к оптическим размерным резонансам, которые возникают при учете диполь - дипольного взаимодействия атомов на малых расстояниях. Представлена оптическая схема одноатомного ближнепольного микроскопа.
Ранее в работах [11, 71] был предсказан теоретически эффект оптических размерных резонансов в атомных наноструктурах на примере двухатомного наноструктурного объекта, состоящего из одинаковых или различных взаимодействующих атомов. Показано, что частоты размерных резонансов существенно смещены относительно собственных частот атомов, составляющих объект, и это смещение сильно зависит от межатомного расстояния, от поляризации внешнего поля излучения и от ширины спектральных линий. В последующих работах [72, 84] было показано, что изменение инверсии атомов (разности вероятностей обнаружения двухуровневых атомов в основном и возбужденном состояниях) приводит к эффекту светоиндуцированного расщепления энергетических уровней двухатомного наноструктурного объекта. Первым экспериментальным подтверждением существования оптических размерных резонансов является обнаружение в спектрах анизотропного отражения на поверхности арсеиида галлия, реконструированной мышьяком, максимумов при 2,5 эВ и 4,2 эВ. Как показано в [75, 85], в димерах мышьяка с межатомным расстоянием 2,5 А, существуют оптические размерные резонансы с энергиями, приблизительно совпадающими с обнаруженными экспериментально максимумами [75, 85].
Современные методы электронной и ионной микроскопии позволяют достигать сверхвысокого вплоть до атомарного пространственного разрешения [64, 65]. Однако наряду с этими методами необходимо иметь неразрушающие методы измерения, обладающие высоким пространственным разрешением, высокой чувствительностью и спектральной селективностью. Это привело к быстрому развитию методов сканирующей оптической микроскопии (SNOM), использующих специально приготовленные игольчатые источники излучения (иглы), подводимые к образцам на маліле расстояния и удерживаемые на таких расстояниях методами, хорошо разработанными в электронной сканирующей микроскопии [88]. Пространственная разрешающая способность этих методов SNOM определяется размерами зонда и составляет 10-20 нм [89]. В работе [90], а также в [91], используется игла из кристалла, содержащего примесные ионы или центры окраски, возбуждаемые лазерным излучением. При этом в методе одноатомной ближнепольной микроскопии [90, 91] с пространственным разрешением 3-5 нм используется ферстеровский механизм передачи энергии от атома на конце иглы к атому образца. В настоящей главе предложен одноатомный ближнепольный оптический микроскоп на основе оптических размерных резонансов, мы будем исследовать оптические поля в ближней и волновой зонах, рассматривая атомы как квантовые диполи на подложке.
Как отмечено в [90], одноатомный ближнепольный микроскоп обладает высокой пространственной разрешающей способностью и высокой чувствительностью. Однако универсальность этого метода существенно ограничена условиями возбуждения атома на конце иглы и передачи энергии от атома на конце иглы к атомам образца. Рассмотрим метод сканирующей ближнепольной микроскопии, основанный на оптических размерных резонансах (NFOMSR). Размерные резонансы появляются в системе одинаковых или разных атомов (молекул) на малых расстояниях порядка одного нанометра при учете их диполь - дипольного взаимодействия во внешнем поле излучения. В [11] исследованы свойства линейных размерных резонансов в поле малоинтенсивного излучения, когда инверсия атомов остается практически без изменения, а в [72] рассмотрены свойства нелинейных размерных резонансов в поле интенсивного стационарного излучения. В этих работах доказано, что если в спектре атомов, составляющих наноструктурный объект, учесть по одному изолированному резонансу, то в поле внешнего излучения возникают четыре размерных резонанса, частоты которых существенно отличаются от собственных частот изолированных атомов, сильно зависят от межатомного расстояния и от поляризации внешнего поля.
Оптическая схема одноатомного ближнепольного оптического микроскопа, представленная на рис. 4.1, состоит из световода, на плоском торце которого расположен атом-зонд. Световод подводится к плоской поверхности диспергирующей диэлектрической среды на определенное фиксированное расстояние, на которой находятся атомы образца. Регистрируемое дипольное излучение атомов образца будет определяться в точке наблюдения.
