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

• Автор: Самойлов, Леонид Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Оглавление
Введение
Г лава 1. Обзор литературных источников по теме диссертации
Конфокальная ТГц-микроскопия
Использование апертур
Волноводы
Метод рассеяния
Использование распространяющейся по проволоке моды
Прямое детектирование в ближнем поле
Глава 2. Описание экспериментальной установки терагерцового ближнепольного микроскопа
Изготовление зондов
АСМ: аппаратная часть
Программное обеспечение
Глава 3. Рассеяние терагерцового излучения на тонких металлических цилиндрах и конусообразных рассеивателях
Глава 4. Исследование явлений взаимодействия ближнепольной компоненты терагерцового электромагнитного поля с исследуемым объектом вблизи зонда атомно-силового микроскопа
Геометрическая форма зонда
Амплитуда модуляции вертикального положения зонда
Кривые подвода
Глава 5. Исследование пространственного распределения концентрации носителей заряда с помощью терагерцового сканирующего зондового микроскопа
Заключение
Список использованных источников

Введение
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 системой зонд-объект, 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. Ранее проводились эксперименты по исследованию

этого взаимодействия [2,10,22,55,75,76,103], однако ряд факторов в этих работах не был освещен. В частности, в этих работах не было изучено, влияет ли форма зонда и параметры модуляции его высоты на регистрируемое излучение, и было не проанализировано, какой вклад в это излучение вносит наличие под зондом подложки. Экспериментальное и теоретическое рассмотрение этих факторов представляется актуальным для правильного понимания принципов работы терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.
Таким образом, цель данной работы состояла в экспериментальном и теоретическом исследовании особенностей взаимодействия возбуждающего терагерцового поля с исследуемым объектом, вблизи которого находится зонд безапертурного ближнепольного микроскопа. Для проведения экспериментальных исследований были использованы методы терагерцовой когерентной спектроскопии, терагерцовой ближнепольной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Решались следующие задачи.
• Во-первых, необходимо было разработать способ выделения сигнала, обусловленного процессом взаимодействия ближнепольных компонентов терагерцового поля с исследуемым объектом, находящимся вблизи зонда безапертурного ближнепольного терагерцового микроскопа, поскольку амплитуда такого сигнала по отношению к амплитуде падающего излучения составляет доли процента.
• ТГц-излучение при помощи внеосевых параболических зеркал фокусируется на острие зонда терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа, которое можно рассматривать как неоднородно возбужденный объект. В связи с этим необходимо было провести теоретические и экспериментальные исследования рассеяния терагерцового импульса, сфокусированного на таком зонде. Поскольку в реальном эксперименте каждый зонд имеет свою уникальную форму, обусловленную параметрами процесса изготовления, то необходимо было исследовать, как эта геометрическая форма влияет на эффект усиления ближнепольной компоненты терагерцового излучения, рассеянного на зонде терагерцового безапертурного ближнепольного микроскопа.

Использование распространяющейся по проволоке моды
Цилиндрическая проволока
Зонд может служить не только в качестве эффективного рассеивателя ТГц-излучения, но и для ввода излучения для распространения по проволоке и его последующей концентрации на острие зонда. ТГц-излучение может распространяться вдоль металлического провода в виде радиально поляризованных поверхностных волн, т.н. волн Зоммерфельда [104]. В работе [5] было показано, что линейно поляризованное ТГц-поле может быть передано на металлическую проволоку при помощи т.н. фазового элемента с изломом профиля (Рис. 1.12). Радиальная мода распространяется вдоль проволоки и благодаря своей осевой симметрии локализуется на ее конце в субволновой области с продольной поляризацией. Этот конец проволоки может быть использован в качестве источника ближнего поля, либо, наоборот, продольное поле может возбуждать на нем радиальную моду, распространяющуюся к фазовому элементу, который трансформирует ее в свободно распространяющийся линейно поляризованный ТГц-пучок. Такая система будет представлять собой пассивную антенну, которая избирательно принимает только продольные компоненты поля. При помощи вольфрамовой проволоки диаметром 0.6 мм и длиной 12 см было достигнуто субволновое разрешение при изучении субволновых отверстий, однако рабочая частота (100 ГГц) была определена фазовым элементом, который был рассчитан и изготовлен под нее.
Рис. 1.12 — Слева - линейно поляризованный ТГц-пучок передается на проволоку при помощи фазового элемента с изломом профиля [5]. Справа - схема эксперимента по распространению ТГц-излучения по заостренной проволоке [11]
Заостренная проволока
В работе [11] проволока с распространяющейся по ней радиальной модой использовалась для зондирования ближнего поля, причем концы проволоки были