Способ регистрации резонансной характеристики металлического зонда ближнего поля для рамановского наноспектрометра

Изобретение относится к оптическому приборостроению. Способ заключается в том, что в дальней зоне измеряют излучение, рассеянное вершиной зонда, помещенного в нерадиационное экспоненциально затухающее (эванесцентное) световое поле, возникающее при полном внутреннем отражении белого света у подошвы призмы полного внутреннего отражения. Регистрируют спектр рассеяния и определяют спектральное положение максимума интенсивности рассеяния. Технический результат - возможность определения длины волны, на которой реализуется точный резонанс оптического возбуждения плазмонов, локализованных на вершине зонда. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к способу контроля спектральной характеристики рассеяния металлического зонда сканирующего ближнепольного микроскопа, входящего в состав рамановского наноспектрометра.

Известны рамановские наноспектрометры, работающие с усилением электромагнитного поля на вершине зонда (N.Anderson, A.Hartschuh, L.Novotny II Near-field Raman microscopy // Materials Today, 2005, 5, 51-54. E.J.Sanchez, L.Novotny, X.S. Xie // Near-Field Fluorescence Microscopy Based on Two-Photon Excitation with Metal Tips // Phys. Rev. Lett. 1999, V.82, N.20, 4015-4017. Shen Z.X., Sun W. // Apertureless Near-Field Scanning Raman Microscopy Using Reflection Scattering Geometry // Pat. US 6643012 B2, 4 Nov. 2003. V.P.Drachev, V.M.Shalaev, A.K.Sarychev // Raman Imaging and Sensing Apparatus Employing Nanoantennas // Patent Application Publication, Pub. No.: US 2004/0174521 A1, Sep.9, 2004 и цитированная там литература). Наноспектрометр строится на основе сканирующего безапертурного ближнепольного микроскопа, в котором используются заостренные металлические или металлизированные диэлектрические зонды, получаемые различными методами, с радиусом закругления 10 -100 нм. Облучение острия зонда светом, возбуждающим в металлической наноструктуре локальные плазмоны, приводит к тому, что вблизи вершины зонда генерируется локальное электромагнитное поле, напряженность которого существенно превосходит напряженность возбуждающего светового поля. Эффективное усиление поля в видимом диапазоне длин волн носит остро резонансный характер. Добротность резонанса и его частота зависят от материала и геометрических параметров (например, радиуса кривизны) острия. Максимальные коэффициенты усиления достигаются при использовании серебряных, золотых и медных наноструктур. В условиях резонансного возбуждения происходит максимальное усиление напряженности электромагнитного поля в пробном объекте, размещенном вблизи вершины зонда, благодаря чему обеспечиваются высокие значения контраста, чувствительности, пространственного разрешения, воспроизводимости результатов, а также сокращается время измерений при работе рамановского наноспектрометра. Для получения максимальных коэффициентов усиления требуется знание резонансной частоты возбуждения локальных плазмонов. Однако существующие в настоящее время технологии не позволяют создавать зонды с заранее заданными и хорошо воспроизводимыми параметрами резонанса, а могут лишь гарантировать наличие резонанса в достаточно широком (˜100 нм) интервале длин волн. Этот факт приводит к необходимости разработки методов отбора зондов с подходящими резонансными характеристиками.

В настоящее время отбор зондов осуществляется на основании сравнительного анализа их геометрических параметров, прежде всего радиуса закругления вершины острия зонда, определяемого путем электронно-микроскопического исследования. Качество зонда считается тем выше, чем меньше радиус закругления вершины (Ю.М.Воронин, И.А.Диденко, Ю.В.Ченцов // Методы изготовления и контроля оптических нанозондов ближнепольных растровых оптических микроскопов // Оптический журнал, 2005, Том 73, Номер 2, С.37-49).

Известны также способы отбора зондов для ближнепольного микроскопа (например фирмы NT-MDT, Nanonics, Renishaw.), основанные на сравнительном анализе изображений известных тест-объектов, полученных с разными зондами. Отбираются зонды, применение которых обеспечивает наиболее высокое пространственное разрешение и контраст изображения тест-объекта (Ю.М.Воронин, И.А.Диденко, Ю.В.Ченцов // Методы изготовления и контроля оптических нанозондов ближнепольных растровых оптических микроскопов // Оптический журнал, 2005, Том 73, Номер 2, С.37-49).

Однако геометрические параметры зонда не имеют однозначной связи с частотным спектром резонансного усиления поля. Сравнение изображений тест-объектов, полученных с помощью разных зондов, дают возможность оценить разрешающую способность ближнепольного микроскопа, но недостаточны для оценки резонансных оптических свойств зонда для использования его в ближнепольном безапертурном рамановском наноспектрометре. К тому же эти методы трудоемки, часто приводят к разрушению зонда.

Технической задачей, решаемой изобретением, является определение резонансной длины волны света, возбуждающего локальные плазмоны для конкретного зонда. Источник света именно с такой длиной волны следует использовать при работе с данным зондом для обеспечения высоких значений контраста, чувствительности, пространственного разрешения и воспроизводимости результатов, а также для сокращения времени измерений.

Предлагаемый метод определения резонансной длины волны, на которой происходит максимальное усиление электромагнитного поля у вершины конкретного зонда, основан на том, что в дальней зоне измеряют излучение, рассеянное острием зонда, помещенного в нерадиационное эванесцентное электромагнитное поле, возникающее при полном внутреннем отражении белого света у подошвы призмы ПВО, регистрируют спектр рассеяния и находят спектральное положение максимума рассеяния. Это положение соответствует наиболее эффективной резонансной генерации плазмонов, локализованных на вершине зонда, что позволяет определить длину волны, на которой реализуется точный резонанс оптического возбуждения локальных плазмонов, а интенсивность рассеяния и люминесценции в пробном объекте, помещенном вблизи вершины зонда, достигает максимально возможного значения. Использование нерадиационного эванесцентного поля для возбуждения локальных плазмонов позволяет радикально уменьшить фоновые засветки и повысить чувствительность определений.

Таким образом, данное изобретение решает те задачи, которые не могли быть решены известными методами.

Эффект усиления электромагнитного поля у вершины острия зонда носит остро резонансный характер. Его возникновение, обусловлено резонансной генерацией плазмонов, локализованных на вершине острия зонда. Генерация локальных плазмонов приводит к возникновению в ближней зоне нерадиационного электромагнитного поля оптического диапазона, а также радиационного электромагнитного поля в дальней зоне на частоте генерации локальных плазмонов. Положение, амплитуда и форма пика спектра излучения, зарегистрированного в дальней зоне, определяются геометрическими параметрами острия и параметрами материала металлического острия или покрытия. Локальные плазмоны играют важную роль в эффекте гигантского комбинационного рассеяния света (Гигантское комбинационное рассеяние / Под ред. Ченга Р., Фуртака Т. М.: Мир, 1988, 408 с. А.Б.Евлюхи // Сечения рассеяния поверхностных плазмон-поляритонов наночастицей в дипольном приближении // Письма в ЖТФ, 2005, том 31, вып.19, 12 октября, стр.14-21. Поверхностные поляритоны // Под ред. В.М.Аграновича, Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985. С.525. М.Н.Либенсон // Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона // Соросовский образовательный журнал, №10, 1996, с.92-98).

На фиг.1 показана схема устройства для регистрации спектра излучения, рассеянного зондом при помещении его в эванесцентное поле с целью определения резонансной длины волны. Выходящий из ксеноновой лампы 1 белый свет в виде параллельного пучка направляется на подошву призмы полного внутреннего отражения 2. У подошвы призмы возникает нерадиационное экспоненциально затухающее эванесцентное поле 3. Исследуемый зонд 4 закрепляется на трехкоординатном сканаторе 5. При подведении зонда к поверхности призмы вершина острия попадает в эванесцентное поле и возникает рассеяние в дальнюю зону. Система обратной связи 6 удерживает зонд на фиксированном расстоянии (10-100 нм) от поверхности. Рассеянное зондом излучение собирается микрообъективом 7 и направляется в спектрограф 8. Спектр регистрируется многоканальным ПЗС-приемником 9 и обрабатывается компьютером 10.

На фиг.2 приведены спектры света, рассеянного на вершинах двух золотых зондов с разной геометрией острий. Справа представлены электронно-микроскопические изображения острий. Масштабная метка соответствует 100 нм. Видно, что максимальные значения интенсивности рассеянного излучения находятся на разных длинах волн. Таким образом, при работе с зондом (а) следует использовать источник света с длиной волны 730 нм, а при работе с зондом (б) - 632 нм.

Способ регистрации резонансной характеристики металлического зонда ближнего поля для безапертурного рамановского наноспектрометра, отличающийся тем, что, с целью определения длины волны, на которой реализуется точный резонанс возбуждения плазмонов, локализованных на вершине зонда, вершину зонда помещают в нерадиационное, экспоненциально затухающее поле, возникающее при полном внутреннем отражении белого света у подошвы призмы полного внутреннего отражения, регистрируют спектр рассеянного вершиной зонда света в дальней зоне и определяют спектральное положение максимума рассеяния.