WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В первой главе проведен обзор основных микроскопических методов исследования объектов с дифракционным и субдифракционным пространственным разрешением, таких как люминесцентная, атомно-силовая и ближнепольная микроскопия. Показано, что для решения задач структурнохимической характеризации объектов, а также определения механических напряжений в них с пространственным разрешением до 10 нм необходимо использование безапертурного сканирующего оптического микроскопа ближнего поля. Такой микроскоп, анализирующий как люминесцентный, так и рамановский отклики, позволит решить эту задачу, как в физике полупроводников, так и в биологии. Делается вывод, что разработка методик и аппаратуры для проведения люминесцентных и рамановских исследований на субдифракционном уровне является одной из актуальных задач современной оптической микроскопии.

Во второй главе, посвященной оптической микроскопии с субдифракционным оптическим разрешением, рассматриваются технические вопросы реализации ближнепольной оптической спектроскопии, объединяющей возможности атомно-силовой микроскопии и оптической спектроскопии субдифракционного пространственного разрешения.

Одним из вариантов реализации ближнепольной сканирующей микроскопии является туннельный сканирующий оптический микроскоп (ТСОМ). С точки зрения целей настоящей работы важно, что эта схема может быть применена для возбуждения люминесценции образца и ее спектрального анализа с пространственным разрешением нанометрового масштаба, определяемым радиусом закругления вершины световода. Для проведения люминесцентных измерений в рамках данной работы изготовлен макет ТСОМ, в конструкции которого использованы механические и электронные элементы растрового туннельного профилографа, где металлическое острие заменено острием стекловолоконного световода, а также исследованы особенности его работы. Этот макет ТСОМ использовался в дальнейшем для регистрации резонансных оптических характеристик металлических зондов (серебряных и золотых).

Известно, что значительное повышение чувствительности рамановских и люминесцентных измерений достигается при использовании т.н. гигантского комбинационного рассеяния света (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) и гигантской люминесценции. Ограниченное дифракционным пределом пространственное разрешение SERS преодолевается в случае использования техники безапертурной ближнепольной микроскопии, в которой эффект SERS реализован с помощью металлического заостренного зонда. Такая техника получила название усиленного острием рамановского рассеяния (Tip-Enhanced Raman Scattering, TERS). На основе техники TERS, эффекта гигантского усиления рассеяния и люминесценции реализована схема безапертурного ближнепольного микроскопа-спектрометра. В этой схеме усиление оптического поля возникает вблизи острия металлического зонда атомно-силового или ближнепольного сканирующего микроскопа.

В результате выполнения работы разработаны несколько вариантов принципиальной схемы построения рамановского спектрометра ближнего поля, предназначенных для проведения исследований образцов разного типа с использованием оптических и металлических зондов, и проведено их сопоставление. На основе проведенного сравнения сделан вывод, что оптимальным вариантом является реализация схемы перенастраиваемого универсального ближнепольного спектрометра. В этом случае оказывается возможным на одном приборе, обеспеченном пассивной виброзащитой, проводить исследования как прозрачных, так и непрозрачных объектов с использованием как апертурных, так и безапертурных зондов. Такая схема позволяет использовать ближнепольный спектрометр во всех режимах (на просвет и на отражение с возбуждением с помощью апертурного зонда, с совмещенными и раздельными каналами возбуждения и сбора излучения с помощью безапертурного зонда при работе с прозрачными и непрозрачными образцами) путем применения различных блоков возбуждения и сбора излучения, а также смены предметных столов и источников излучения.

Одним из ответственных элементов безапертурных ближнепольных микроскопов является металлический зонд с радиусом кривизны острия от единиц до нескольких десятков нанометров. Проанализированы существующие методы изготовления острий способом электрохимического травления, как наиболее распространенным, и на основе проведенного анализа предложено два метода изготовления металлических зондов из вольфрамовой проволоки.

Первый способ заключается в травлении вольфрамовой проволоки в капле раствора щелочи в металлическом кольце на стабилизированном постоянном токе 6-12 мА – он обеспечивает получение острий с типичным радиусом 10-15 нм и конусностью около 35° (рис. 1). Такие острия по геометрическим параметрам подходят для работы в режиме электростатического усиления электромагнитного поля. Новизна предлагаемого метода заключается в подборе режима и формы капли, при которой капиллярные силы компенсируют большую часть веса отрывающейся части, что позволяет получать острия с радиусом менее расчетного, равного 50 нм. Второй способ, заключающийся в травлении в объеме жидкости при переменном напряжении 3-6 В, обеспечивает получение острий с вершиной радиусом около 60 нм и конусностью 15-20°. Острия, полученные этим способом, подходят для работы с SERS частицей, прикрепленной к вершине. В обоих случаях используется прокаленная вольфрамовая проволока диаметром 0,15 мм и раствор 1M NaOH.

а) б) Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения острий, полученных травлением в капле щелочи в кольце. а – радиус 14 нм, конусность 35°, длина 630 нм; б – радиус 11 нм, конусность 37°, длина 960 нм Также рассмотрены вспомогательные способы улучшения параметров острий – травление в два этапа с промежуточным переворачиванием на 180°, исследовано влияние на травление капиллярных сил и рассмотрен вопрос удаления окислов с острия. Для достижения эффекта локального усиления оптических полей при резонансном возбуждении поверхностных плазмонов сформированные острия покрывались пленкой золота или серебра толщиной в несколько нанометров путем вакуумного испарения или электролитического осаждения. При этом геометрические параметры острий практически не изменялись.

Разработан способ регистрации оптической резонансной характеристики Ag и Au зондов, основанный на регистрации спектра рассеяния зонда и определении спектрального положения максимума рассеяния при погружении вершины острия в эванесцентное поле при полном внутреннем отражении (рис. 2).

Это позволяет контролировать спектральные характеристики рассеяния зонда, т.к. положение максимума соответствует наиболее эффективной резонансной генерации плазмонов, локализованных на вершине зонда, и 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 максимального значения. Использование нерадиационного эванесцентного поля для возбуждения локальных плазмонов позволяет уменьшить фоновые засветки и делает возможным получения спектров рассеивания.

Для воспроизводимого закрепления иглы под углом, нужным для реализации максимального усиления [5], предложено как формировать острия, так и наносить на них покрытия уже после прикрепления к ножке кварцевого резонатора. Также это уменьшает риск повреждения острия иглы или её металлического покрытия в процессе закрепления иглы.

Задача стабилизации расстояния между исследуемым образцом и зондом с острием на конце решена наиболее распространенным способом – измерением тангенциальной составляющей силы физического взаимодействия острия с образцом. Для измерения величины атомно-силового взаимодействия выбран электромеханический способ возбуждения и регистрации колебаний с помощью камертонного кварцевого резонатора, и исследовали режимы его работы, а также особенности реализации. Разработана схема синхронного детектора на основе устройства выборки-хранения, работающая на частоте 32 кГц, и на её основе – система регулирования расстояния «зонд-образец», позволяющая поддерживать расстояние в диапазоне 5-20 нм.

Рис. 2. Схема устройства для регистрации спектра излучения, рассеянного зондом при помещении его в эванесцентное поле. 1 – ксеноновая лампа, 2 – призма, 3 – эванесцентное поле, 4 –исследуемый зонд, 5 – трехкоординатный пьезосканатор, 6 – система обратной связи, 7 – микрообъектив, 8 – спектрограф, 9 – ПЗС-приемник, 10 –компьютер При разработке рамановского спектрометра ближнего поля решена задача сопряжения двух систем позиционирования, изначально предназначенных для автономной работы – сканирующего пьезостолика Flatscanner (Nanonics) и атомно-силовой головки Smena (NT-MDT). Благодаря использованию ряда дополнительных возможностей, нам удалось через высоковольтный делитель подать управляющее напряжение атомно-силовой головки, являющееся усиленным топографическим сигналом, на аналоговый вход пьезостолика (рис.

3), позволив разделить часть функций между этими системами. В таком режиме атомно-силовая головка Smena обеспечивает горизонтальное перемещение зонда при юстировке, постоянно работающая система вертикального перемещения головки Smena обеспечивает постоянство расстояния зонд-образец (посредством механизма «shear-force»), а пьезостолик Flatscanner обеспечивает вертикальное перемещение образца при юстировке и горизонтальное перемещение во время сканирования. Общее управление сканированием образца, а также запись и обработка полученных данных в этом режиме производится системой управления пьезостоликом без необходимости разработки дополнительного программного обеспечения. Проведенное сопряжение позволило совместить плоскость образца, вершину зонда и центр сфокусированного лазерного луча, поддерживая вершину зонда в центре светового пятна при сканировании.

Рис. 3. Схема сопряжения блоков атомно-силового микроскопа Solver-Bio и пьезостолика Nanonics через высоковольтный делитель Разрабатываемый ближнепольный спектрометр предназначен для получения рамановского изображения исследуемой наноструктуры с субдифракционным пространственным разрешением и создания на его основе карт химического состава. В его состав входит спектрометр Acton SpectraPro 2558 с многоканальной системой регистрации (ПЗС-линейка), которая позволяет сразу регистрировать достаточно большой участок спектра, но мало подходит для построения карт химического состава. Для получения пространственного распределения отдельных линий рамановского спектра разработан одноканальный режим работы, в котором спектрометр Acton SpectraPro 2558 работает как монохроматор, а регистрация осуществляется охлаждаемым ФЭУ в режиме счета одиночных фотонов. Для реализации этого подхода предложены алгоритм управления и специализированное программное обеспечение, позволяющие согласовать работу монохроматора и счетчика фотонов в одноканальном режиме для регистрации спектров.

В качестве детектора нами выбран фотоэлектронный умножитель ФЭУ106, как обладающий малым уровнем собственных шумов, хорошей одноэлектронной характеристикой, и большим динамическим диапазоном (до 107). Для усиления и счета одноэлектронных импульсов ФЭУ использованы широкополосный усилитель SR445A и счетчик фотонов SR400 (Stanford Research Со., США). Альтернативный вариант – однофотонные лавинные фотодиоды (SPCMAQR, EG&G, Inc., Канада), отвергнут главным образом из-за большого уровня собственных шумов. Для счетчика SR400 критична не столько амплитуда импульса, сколько временное разрешение и скорость нарастания фронта импульса (менее 2 нс), поэтому особое внимание уделено согласованию нагрузок и стабилизации напряжения на последних каскадах ФЭУ. Разработанная система приема сигнала позволяет регистрировать сигнал начиная с уровня отдельных фотонов при уровне шума единицы фотонов/с (при охлаждении до –40°С).

Для согласования работы монохроматора и счетчика фотонов разработан алгоритм управления и специализированное программное обеспечение (на основе Microsoft Visual C++ 6.0 с использованием библиотеки MFC), позволяющие в одноканальном режиме регистрировать спектры рамановского рассеяния в диапазоне 150-3000 см-1 со спектральным разрешением ~5 см-1 при работе с лазерами 532 и 633 нм (рис. 4), и люминесценции в диапазоне 400-900 нм, а также перестраивать монохроматор для регистрации разных характерных полос в спектрах образцов с нанометровым пространственным разрешением. Реализован вариант пошагового поворота дифракционной решетки со счетом сигнала в каждой точке, с выводом результатов на экран и возможностью сохранения данных. Возможно дальнейшее наращивание программных модулей, например, для реализации функций записи двухмерного распределения сигнала по исследуемому участку.

Рис. 4. Внешний вид окна программы управления. Приведен рамановский спектр кремния с характерной полосой на 520 см-1 с полушириной 6 см-Результаты исследования усиленного острием рамановского рассеяния (TERS) от Ge/Si куполообразных точек, проведенного на разработанном спектрометре ближнего поля, показывают возможность химического анализа отдельных точек размером менее 50 нм (рис. 5), что подтверждает работоспособность выбранных решений.

Рис. 5. Исследование рамановского рассеяния Ge/Si точек. а – атомно-силовое изображение образца, линия показывает направление перемещение острия; б – типичный набор рамановских спектров, полученных при разных положениях острия: (1) – начальная точка сканирования, (2) – область Ge/Si точек (x=100 и 800 нм), (3) – TERS спектр Ge0.5Si0.5 точки x=100 со спектральным разрешением 4 см-Третья глава посвящена оптической микроскопии с дифракционным разрешением, а именно разработке аппаратуры для люминесцентного экспрессконтроля «биочиповых» структур – видеоанализаторов. Обычно биочип представляет собой нелюминесцирующую подложку, на которую нанесена матрица, содержащая от десятков до сотен ячеек диаметром порядка 100 мкм, расположенных на расстоянии нескольких сотен мкм друг от друга и содержащих иммобилизованные зонды. Люминесцентные видеоанализаторы должны обеспечивать регистрацию весьма слабого свечения отдельных ячеек, возникающего из-за связывания окрашенных образцов с зондами, на достаточно большом поле с их строгой координатной привязкой для диагностики с помощью ЭВМ.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»