Разработка оптических методов исследования твёрдого тела при возбуждении поверхностных плазмонов зондирующим излучением

• Автор: Рыжова, Татьяна Александровна
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с. : ил.

л СОДЕРЖАНИЕ
ф Введение
Глава I. Обоснование преимуществ выполнения оптических исследований в условиях поверхностного плазмонного резонанса
§1.1. Природа поверхностных плазмонов и эволюция их характеристик с изменением частоты
§1.2. Реализация методов оптической рефлектометрии при возбуждении зондирующим излучением поверхностных плазмонов
1.2.1. Эллипсометрия в условиях возбуждения ПП
1.2.2. Микроскопия в условиях возбуждения ПП
а) Амплитудная плазмонная микроскопия
б) Фазовая плазмонная микроскопия
в) Эллипсометрическая ПП-микроскопия
ф 1.2.3. Отражательная оптическая спектроскопия проводящей
поверхности в условиях ППР
1.2.4. Рефрактометрия металлов методом ППР
§1.3. Спектроскопия поверхностных плазмонов среднего инфракрас-ф ного диапазона
1.3.1. Абсорбционная спектроскопия проводящей поверхности
1.3.2. Фазовая ПП-спектроскопия
1.3.3. Рефрактометрия металлов
Выводы к Главе I
Глава 2. Разработка методов оптометрии, использующих поверхностные плазмоны видимого диапазона
§2.1. Исследование медной поверхности методом эллипсометрии
Ф в условиях плазмонного резонанса
§2.2. Разработка способов и устройств реализации плазмонной
микроскопии
• г

ф. 2.2.1. Регулирование глубины резкости и контраста изображения в плазмонной микроскопии
^ 2.2.2. Плазмонный акселерометр
§2.3. Голографическая интерферометрия переходного слоя проводящей поверхности
§2.4. Поляриметрия поверхности металлов, сопровождаемая возбуждением поверхностных плазмонов зондирующим излучением ;
2.4.1. Поляриметрический метод детектирования фотонного возбуждения 1111
Ф 2.4.2. Экспериментальные исследования
Основные результаты исследований, описанных в Главе II
Глава 3. Разработка метода абсорбционной спектроскопии поверхностных плазмонов, генерируемых терагерцовым излучением
лазера на свободных электронах
§3.1. Регулирование поглощения поверхностных плазмонов терагерцового диапазона тонкоплёночным покрытием
§3.2. Определение показателя преломления поверхностных плазмонов терагерцового диапазона интерференционным методом
3.2.1. Описание схемы ПП-интерферометра и эксперименталь-

нои установки
3.2.2. Методика обработки результатов измерений
3.2.3. Результаты экспериментов и их обсуждение
§3.3. Измерение длины распространения поверхностных плазмонов
терагерцового диапазона
§3.4. Устройство для одновременного измерения показателя преломления и длины распространения ПП в дальнем ИК диапазоне
Основные результаты исследований, описанных в Г лаве III
Заключение
Список использованной литературы
Оптические методы исследования поверхности твёрдого тела широко применяются в современных нанотехнологиях микроэлектроники, интегральной оптики, лазерной техники, в поверхностном катализе, биологии и медицине. К таким методам относятся оптическая микроскопия, спектроскопия, интерферометрия, эллипсометрия, рефрактометрия и др. Основными достоинствами перечисленных методов являются их бесконтакт-ность, незначительное энергетическое воздействие на объект исследований, возможность применения в естественных условиях, электро- и взры-вобезопасность, сравнительная простота реализации. Однако, существующие оптические методы не всегда отвечают требованиям современных технологий и уровню выполняемых научных исследований. Необходимо всё больше повышать их точность, чувствительность, разрешение, информативность и сокращать время измерений.
Одним из современных оптических методов исследования поверхности твёрдого тела является метод поверхностных плазмонов (ПП), генерируемых зондирующим излучением на поверхности образца [1-4]. В этом методе ПП, возбуждаемые резонансным образом, являются посредником между излучением и объектом исследований. В результате этого увеличивается эффективность и длина взаимодействия излучения с объектом (самой поверхностью образца или её переходным слоем), что обуславливает повышение точности и чувствительности измерений [5]. Наиболее продуктивной областью применения ПП в оптических измерениях оказалась лазерная инфракрасная (ИК) спектроскопия сверхтонких (толщиной от 1 до 100 нм) слоев на поверхности, когда расстояние взаимодействия излучения со слоем достигает 103 и более длин волн [6,7].
Новые возможности для метода ПП-спектроскопии открылись с созданием лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) - плавно перестраиваемых от ультрафиолетового до субмиллиметрового диапазона источников мощ-

для описанной выше структуры при размещении плёнки-образца в воздухе («2=1,0) и воде («2=1,33) и использовании излучения с А,=0,6 мкм (кривые 1 и 4 соответственно). Видно, что при помещении образца в воду глубина резкости возрастает более чем в два раза и превышает 50 нм. На этом же рисунке приведены результаты численного моделирования изменения К при размещении в поле ПП на расстоянии к от поверхности образца медного зонда с плоской поверхностью (при «2=1,0 и Х=0,6 мкм), кривые 1-5-3. Анализ графика показывает, что для увеличения глубины резкости до 50 нм зонд необходимо приблизить к поверхности образца на расстояние А«0,1 мкм.
Из трёх описанных выше методов регулирования контраста и глубины резкости в ПП-микроскопии, наиболее приемлемым является метод предполагающий смену длины волны зондирующего излучения. Это утверждение основано на следующих фактах: во-первых, это полностью бесконтактный метод (методы со сменой окружающей среды и внесением зонда в поле ПП нельзя назвать таковыми безоговорочно), во-вторых, этот метод безынерционный, что важно для исследования быстропротекающих процессов, и, наконец, он наиболее эффективный, так как позволяет в более широких пределах изменять регулируемые величины.
Поэтому мы предложили способ исследования поверхности проводящих образцов методом ПП-микроскопии, состоящий в том, что на образец воздействуют не одним сколлимированным пучком монохроматического излучения, а несколькими такими пучками с различными X, направленными через призму НПВО на образец под различными углами падения, обеспечивающими возбуждение ПП в образце (рис. 18) [68]. Регистрацию интенсивности излучения во всех отражённых пучках также осуществляют одновременно. Такая схема контроля поверхности позволяет изучать быстропроте-кающие процессы на ней с практически любой глубиной резкости, оперативно отсекая или включая в изображение более крупные неоднородности,