Nfo

CƠ SỞ CÔNG NGHỆ QUANG TỬ NANO

Near-Field Nano-Optics PGS. TS. Trần Thị Tâm Khoa Vật lý Kỹ thuật & Công nghệ nano Near-Field Nano- Optics

1

Tài liệu tham khảo: „

Near – Field Nano – Optics : From basic Principles to Nano Fabrication and nano – Photonics. Motoichi Ohtsu and Hirokazu Hori. Kluwer Academic/ Plenum Publishers.

Near-Field Nano- Optics

2

1.Các phương pháp chế tạo đầu dò cho kính hiển vi trường gần. 2.Kính hiển vi quang học trường gần 3.Chế tạo và thao tác với các mẫu kích cỡ nano 4.Trường mờ trong NC các mẫu sinh học 5.Các ứng dụng của trường mờ. Near-Field Nano- Optics

3

Chương I:

Phần mở đầu

Khoa học và kỹ thuật quang học bình thường bị hạn chế bởi giới hạn nhiễu xạ khi giảm kích thước của các thiết bị quang học và quang tử tới kích cỡ nano. Vì vậy các mạch quang học tích phân không thích ứng với các mạch tích phân điện tử có kích thước nhỏ hơn rất nhiều. Phần học này đưa ra các ý tưởng và các phương pháp khắc phục khó khăn đó. Near-Field Nano- Optics

4

1.1 Quang học trường gần và quang tử. 1.1.1. Các quá trình quang học và các tương tác điện từ. 1.2 Kính hiển vi quang trường gần có độ

phân giải cực cao (NOM). 1.2.1. Từ giao thoa tới kính hiển vi quang loạitương tác. 1.2.2. Việc phát triển kính hiển vi quang trường gần và các kỹ thuật có liên quan. Near-Field Nano- Optics

5

1.3 Các đặc tính chung của các vấn đề

trường quang học gần (NFO) 1.3.1.Các quá trình quang học và những thang đo cần quan tâm 1.3.2. Trường hiệu dụng và các hệ phụ tương tác (subsystems) 1.3.3. Tương tác điện từ trong hệ điện môi. 1.3.4. Các đo đạc quang trường gần. Near-Field Nano- Optics

6

1.4 Phân tích lý thuyết các vấn đề NFO 1.4.1. NFO và các sóng không đồng nhất. 1.4.2. Phân tích lý thuyết trường của các vấn đề NFO. 1.4.3.Xử lý tường minh tương tác trường -vật chất. 1.5 Một vài điều đáng lưu ý về NFO và những điểm chính của môn học 1.5.1. NFO và các vấn đề liên quan. 1.5.2.Những điểm chính của môn học. Near-Field Nano- Optics

7

Near-Field Nano- Optics

8

Để thực hiện phép đo NF của tương tác dưới bước sóng, người ta phải thực hiện đầy đủ các điều sau: a. Chóp thử nhạy với trường tại chỗ của đối tượng kích thước dưới bước sóng. b. Che chắn các tương tác phạm vi dài hơn, hoặc là cách ly việc kết hợp trực tiếp giữa nguồn sáng và đầu thu. c. Kết hợp hiện tượng NF với nguồn sáng và đầu thu được đặt trong vùng trường xa. 9 Near-Field Nano- Optics

Những Những vần vần đề đề thực thực nghiệm nghiệm sau sau đây đây cần cần chú chú ý: ý: a. a. Loại Loại tương tương quan quan điện điện từ từ phạm phạm vi vi ngắn ngắn nào nào là là thích thích hợp hợp với với tương tương tác tác đối đối tượng tượng -- đầu đầu dò? dò? b. b. Các Các kênh kênh tương tương tác tác phạm phạm vi vi dài dài bị bị che che chắn chắn như như thế thế nào? nào? c. c. Sự Sự tương tương tác tác NF NF giữa giữa đối đối tượng tượng và và chóp chóp thử thử nối nối với với nguồn nguồn sáng sáng và và đầu đầu thu thu như như thế thế nào? nào? → → Những Những xem xem xét xét này này đưa đưa ra ra rằng rằng đo đo đạc đạc NF NF phải phải là bộ lọc lọc tần tần số số không không gian gian để để chiết chiết là hàm hàm giống giống như như bộ ra ra các các vi vi quá quá trình trình điện điện từ từ từ từ toàn toàn bộ bộ quá quá trình trình quang quang học. học. 10 Near-Field Nano- Optics

1.2 Kính hiển vi quang trường gần có độ phân giải cực cao (NOM). 1.2.1. Từ giao thoa tới kính hiển vi quang loạitương tác. Kính hiển vi Quang học → Kính hiển vi điện tử "phải chăng giao thoa các sóng là cách duy nhất để xây dựng một kính hiển vi?" "Có phải nhiễu xạ của ánh sáng là giới hạn chẩn đoán cơ bản những đối tượng vi mô?". Near-Field Nano- Optics

11

Những câu trả lời thu được khi những nhà vật lý Zurich thu được hình ảnh quy mô nguyên tử của bề mặt silic kim loại bằng phương pháp dùng kính hiển vi loại-tương tác, được gọi là kính hiển vi xuyên đường hầm quét (STM) Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Thật tự nhiên từ điện tử đến ánh sáng hoặc phôtôn để xây dựng một kính hiển vi kiểu- tương tác. → kính hiển vi quang học trường gần quét (SNOM) Near-Field Nano- Optics

12

Đối với kính hiển vi kiểu - tương tác, nói chung, kỹ thuật xử lý tín hiệu và nền tảng lý thuyết thích hợp rất cần thiết cho sự giải thích những hình ảnh thu được. Đó là bởi vì người ta phải dẫn xuất ra thông tin địa hình về mẫu qua tương tác trường gần với đầu dò kéo theo một phép đo phá hủy của quang học trường gần liên quan đến mẫu chiếu sáng. Tham số đặc trưng trường gần: K l = 2π l /λ trong đó: l là kích thước của đối tượng ta quan tâm và λ là bước sóng quang học. Near-Field Nano- Optics

13

1.2.2. Việc phát triển kính hiển vi quang trường gần và các kỹ thuật có liên quan. Nhắc lại những năm tháng vàng son của vật lý hiện đại vào đầu thế kỷ 20, đề nghị đầu tiên về kính hiển vi quang học trường gần có độ phân giải siêu cao xuất hiện trên giấy của Synge vào 1928. Anh ta đề xướng sự sử dụng một lỗ vi mô quét để xây dựng một kính hiển vi có độ phân giải siêu cao với độ phân giải xa bên ngoài giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng. Thật thú vị là việc nghiên cứu kính hiển vi có lỗ vi mô được O'Keefe báo cáo vào 1956 14 Near-Field Nano- Optics

Trong quá trình phát triển thí nghiệm, vài kỹ thuật đã được giới thiệu và có tên phụ thuộc vào những khía cạnh như bản chất của đầu dò, có nghĩa là việc chiếu sáng mẫu, và thu tín hiệu: Kính hiển vi quang học trường gần quét ( SNOM), Kính hiển vi quang học quét Trường gần (NSOM), Kính hiển vi xuyên đường hầm quét phôtôn (PSTM), kính hiển vi quang học đào hầm quét (STOM) trong nghĩa hẹp Near-Field Nano- Optics

15

Bản chất trung gian của những quá trình NOM

Thang không gian thích hợp liên quan tới kỹ thuật NOM nằm giữa quy mô nguyên tử (0.1 nm) và quy mô của bước sóng quang học (100 nm).

Near-Field Nano- Optics

16

Mở rộng kỹ thuật NOM Xảy ra đồng thời cùng với bản chất trung gian phức tạp của nó, NOM và các kỹ thuật Trường quang học gần liên quan kéo sự đa dạng rộng lớn của những vấn đề vật lý đáng quan tâm và những lĩnh vực ứng dụng mới. Ví dụ, kính hiển vi sử dùng plasmon trường gần bề mặt đã được phát triển như một kỹ thuật NOM bao gồm sự tương tác cộng hưởng với bề mặt kim loại Near-Field Nano- Optics

17

Kỹ thuật SPM Kết hợp Kết hợp hoạt động của NOM với vài kiểu kỹ thuật dùng kính hiển vi đầu dò quét khác nhau, như STM, AFM, v. v... cũng được quan tâm. Hoạt động của NOM kết hợp với STM điện tử để điều khiển khoảng cách mẫu - đầu dò được báo cáo trong thời kỳ đầu của thí nghiệm với NOM. Một kỹ thuật rất phổ biến là sử dụng lực - dịch chuyển - điều khiển sự xác định vị trí của đầu dò NOM, dùng lực nguyên tử giữa bề mặt mẫu và đầu dò mỏng rung . Near-Field Nano- Optics

18

Từ kính hiển vi Trường gần đến thao tác phù hợp các đối tượng kích cỡ nm: - Điều khiển phản ứng quang hóa tại chỗ và thu nhận chúng, đại diện cho một sự phát triển công nghệ ghi dữ liệu quang học mật độ siêu cao -Hiệu ứng cơ của quang học trường gần lên những hạt nhỏ cũng đang được nghiên cứu . - Điều khiển một mẫu sinh vật trên tại mức phân tử để lộ ra những quá trình cơ bản của việc di chuyển kích thích và cho kết quả trong điều khiển những cơ quan sống - Thao tác những hạt kích cỡ nguyên tử và điều khiển trạng thái của chúng với độ phân giải nanomet cũng đã được đề xướng Near-Field Nano- Optics

19

1.3 Các đặc tính chung của các vấn đề Trường quang học gần (NFO) 1.3.1. Các quá trình quang học và những thang đo cần quan tâm Nguồn ánh sáng Î Hệ thống ta quan tâm Î Đầu thu quang

Near-Field Nano- Optics

20

Hệ thống Quang học "Xa“ (far) Trường - Xa Hệ thống vật chất A và B đặt cách nhau khoảng xa so với bước sóng quang học Bức tranh : A tới B hành vi đơn hướng qua lan truyền sóng ánh sáng Vĩ môÎAÎ B Î

Hệ thống tách biệt ngay cả dưới sự tương tác điện từ Near-Field Nano- Optics

21

Trường - Gần Các hệ thống vật chất A và B đặt gần nhau tại một khoảng ngắn hơn bước sóng quang học. Bức tranh : Sự tương tác của A và B qua tán xạ nhiều lần của sóng ánh sáng

Trung gian Î A ⇔ B Î

Có thể tách ra khi không có ánh sáng tới; không thể tách rời được khi có ánh sáng tới Near-Field Nano- Optics

22

Hệ thống Quang học “sát cạnh“ (close) Hệ thống điện từ A và B bị ghép chặt do tương tác bên trong (nội) hiện hữu thậm chí khi không có trường tới nào áp vào. Những tương tác điện từ trong trường hợp này là do những dao động nội của chân không và sự phân cực của vật chất, mà làm tăng sự tương tác Van der Waals lên làm ví dụ. Trường nội sát cạnh Những hệ thống vật chất A và B đặt vô cùng gần nhau Bức tranh : Trạng thái kết hợp của A và B hoặc ánh sáng tán xạ bởi trạng thái tương tự phân tử giống như những phân tử van de Waals Vi mô I Î A 8 B Î Bản chất Không thể tách rời được Near-Field Nano- Optics

23

1.3.2. Trường hiệu dụng và các hệ phụ (con) tương tác (subsystems) Nguồn sáng

Î

vật chất ⇔ trường ⇔ vật chất

Î

Đầu thu

Hệ con tương tác

Trong một quá trình quang học như một hệ thống từ nguồn tới đầu thu quang học, ta có thể rút một hệ thống con tương tác, được đặc trưng bởi những kích thước không gian của nó. Một hệ thống con như vậy có thể được mô tả như sau: Tại đó ta có một trường điện từ bên trong được bao bọc bởi vật chất. Trường bên trong không có kết nối trực tiếp với những trường ngoài, mở rộng tới nguồn sáng hoặc đầu thu quang. Near-Field Nano- Optics

24

Tham số mô tả đặc trưng tính chất quang học của hệ thống con được cho bằng ωl/c, trong đó ω là tần số thời gian của Trường quang học, l là kích thước không gian của hệ thống con, và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Tham số này bằng số sóng k =(ω/c) nhân với kích thước không gian l, nghĩa là, kl . Theo độ lớn của tham số đặc trưng kl =ωl/c ta có ba trường hợp tiêu biểu:

Vĩ mô, trung gian, và vi mô . Near-Field Nano- Optics

25

ω l /c > 1

Ðiều này tương ứng tới trường hợp vĩ mô trong đó kích thước không gian l của hệ thống con lớn nhiều hơn bước sóng quang học. Trong một hệ thống vĩ mô như vậy trường quang học hoặc hệ thống quang tử có thể được phân biệt rõ ràng từ hệ thống vật chất.

Near-Field Nano- Optics

26

Trường hợp vi mô, mô ωl/c < 0.01 chúng ta tìm thấy một hệ thống vật chất kết hợp chặt chẽ qua tương tác điện từ. Khi đó, trường bên trong trong trường hợp này hành động như một thế năng hoặc lực liên kết giữa những đối tượng vật chất. Mặt khác, những thuộc tính vật chất vượt trội trong hệ thống vi mô. Trong trường hợp 0.01 < ωl/c < 1, 1 chúng ta gặp một trường nội có bản chất trung gian, gian liên quan đến những hiệu ứng trường quang học gần. Near-Field Nano- Optics

27

Trường hiệu dụng và thang đo cần quan tâm Trong vài trường hợp, chính trường nội được đặc trưng như một trường hiệu dụng đại diện cho hiệu ứng trung bình của những quá trình tương tác vi mô qua một thể tích V =l3 như sau : Nguồn sáng

Î

vật chất

⇔

vật chất

⇔ trường ⇔

vật chất

⇔

Hệ con với tương quan gần hơn

vật Î Î chất

Đầu thu

Hệ con với tương quan xa hơn Near-Field Nano- Optics

28

Trong đó tham số kích thước l đặc trưng quá trình quang học xảy ra trong hệ thống con với tương quan ngắn hơn. Những tương tác với độ dài tương quan ngắn hơn lấy trung bình qua thể tích l3 xử sự như một trường hiệu dụng khi quan sát trên một quy mô lớn hơn nhiều l. Trong trường hợp này, ta có thể xem xét trường bên trong như một trường hiệu dụng được mô tả bằng: Trường hiệu Tr ư ờng dụng hiệu dụng

≡

vật chất

⇔

trường

⇔

vật chất

Hệ con với tương quan gần hơn Near-Field Nano- Optics

29

Trường hiệu dụng và Tương quan thời gian không gian trong những quá trình quang học Trong vài trường hợp, một trường nội đặc biệt thể hiện hiệu ứng quan trọng lên những thuộc tính quang học của một hệ thống vật liệu. Điều này xuất hiện khi trường hiệu dụng thể hiện một hành vi cộng hưởng. Khi đó thể hiện một trạng thái mà trong đó một tương quan đặc biệt không gian - thời gian của những quá trình tương tác bên trong hoặc một chuyển động tích lũy của độ tự do bên trong trở thành quan trọng. Trong những trường hợp này chúng ta có thể mô tả trường hiệu dụng tương ứng như một mode đã hình thành vững vàng. Near-Field Nano- Optics

30

1.3.3. Tương tác điện từ trong hệ thống điện môi. Trường hiệu dụng trong môi trường điện môi Để nghiên cứu ý nghĩa của trường hiệu dụng và những thang (quy mô) đo, chúng ta hãy xem xét một trường hợp thực tế: sự đáp ứng quang học của một chất điện môi.

Near-Field Nano- Optics

31

Hình 1.2. Phản xạ và khúc xạ của sóng ánh sáng tại mặt cắt giữa chất điện môi - chân không (không khí) và sự đáp ứng quang học của vật liệu trong môi trường chất điện môi. Sự đáp ứng quang học của vật liệu trong môi trường chất điện môi được xác định bởi tương tác điện từ của phân cực cảm ứng. Khi góc khúc xạ θ2 lớn hơn π/2 sóng khúc xạ trở nên là một sóng mờ thể hiện sự suy giảm của cường độ trường theo hàm mũ e vào phía trong chân không ( không khí). Near-Field Nano- Optics

32

Trước Trước hết, hết, chúng chúng ta ta hãy hãy xem xem xét xét trường trường hợp hợp vĩ vĩ mô: mô: những những sóng sóng ánh ánh sáng sáng lan lan truyền truyền trong trong môi môi trường trường điện điện môi. môi. Sóng Sóng ánh ánh sáng sáng tới tới môi môi trường trường chất chất điện điện môi môi tạo tạo nên nên những những phân phân cực cực điện điện trong trong môi môi trường, trường, như như được được minh trong minh họa họa trong trong h. h. 1.2. 1.2. Những Những phân phân cực cực cảm cảm ứng ứng trong môi môi trường trường không không phải phải là là tự tự do, do, mà mà bị bị các các hàng hàng xóm xóm của gây của họ họ ảnh ảnh hưởng. hưởng. Kết Kết quả quả là, là, sóng sóng ánh ánh sáng sáng tới tới gây nên nên một một trường trường nén nén bên bên trong trong trong trong môi môi trường, trường, bởi bởi vậy vậy năng năng lượng lượng và và động động lượng lượng điện điện từ từ tới tới phân phân tán tán tới tới môi môi trường trường điện điện môi. môi. Tổng Tổng năng năng lượng lượng và và động động lượng lượng được được truyền truyền trong trong môi môi trường trường dưới dưới dạng dạng của của một một mode mode kết kết hợp hợp của của trường trường điện điện từ từ với với vật vật chất. chất. Near-Field Nano- Optics

33

Do vậy sóng ánh sáng lan truyền trong một môi trường vật chất với vận tốc chậm hơn vận tốc của ánh sáng bên trong chân không c.

v=c/n

Near-Field Nano- Optics

34

Sóng mờ Fresnel như một trường hiệu dụng gần bề mặt phẳng của chất điện môi Chúng ta hãy xem xét một mặt cắt ranh giới giữa điện môi- không khí phẳng và bậc thang, nơi hành vi của vật chất thay đổi bất ngờ so với bước sóng quang học. Ở đây, bước sóng quang học tương ứng tới độ dài tương quan tầm xa của tương tác điện từ. Tồn tại những tương quan ngắn hơn xuống tới quy mô nguyên tử, dẫn đến hiệu ứng không quan sát được trong chế độ vĩ mô. Tuy nhiên vì sự kết thúc đột ngột của môi trường, những tương tác điện từ của bất kỳ độ dài tương quan nào được tiếp tục ra nửa ở phía ngoài 35 không gian xung quanh Near-Field ranh Nanogiới. Optics

Quan hệ vĩ mô giữa những sóng phân cực bề mặt và sóng ánh sáng thông thường được thể hiện bởi một tập hợp những điều kiện biên đối với trường điện từ. Định luật Snell

n1 sin θ1 = n2 sinθ 2 Điều kiện có phản xạ nội toàn phần

n2 θ1 < θ C = sin n1 −1

Near-Field Nano- Optics

36

Khi góc tới θ2 vượt hơn góc tới hạn θC lúc đó không có sóng ánh sáng lan truyền trong không khí, thì sự tương tác kết hợp với sóng phân cực cảm ứng trên bề mặt vẫn bảo trì. Kết quả là, sóng tới phản xạ hoàn toàn ngược lại vào trong môi trường điện môi. Mặc dầu sóng không truyền lan trong không khí, nhưng vẫn còn tồn tại một trường điện từ liên quan đến sóng phân cực bề mặt, mà, tuy nhiên, sẽ biến mất tại khoảng cách xa nhất định từ bề mặt phân cách. Hiện tượng này được gọi phản xạ nội toàn phần. Một sóng khúc xạ suy giảm theo hàm số mũ theo hướng vuông góc với bề mặt phân cách được gọi là sóng mờ Near-Field Nano- Optics

37

Phạm vi của sự tương tác liên quan đến sóng mờ được gọi là độ xuyên sâu, sâu thể hiện khoảng cách tương ứng với độ suy giảm 1/e của biên độ trường từ bề mặt. Độ xuyên sâu d tương đương với giá trị đảo của số sóng phức của sóng mờ . I(z) = I(0)e-z/d d = λ(0)/4π(n12sin2 θ- n22)-1/2 Độ xuyên sâu thường vào quãng 30 và 300 nm, không phụ thuộc vào hướng của phân cực của ánh sáng tới, và giảm khi góc phản xạ tăng lên.

Near-Field Nano- Optics

38

Near-Field Nano- Optics

39

Những sóng mờ có hai sự liên quan vật lý quan trọng trong tình huống trường hiệu dụng và quan hệ của nó với quang học trường gần. Trước hết, những sóng mờ là một ví dụ của một trường hiệu dụng thể hiện một tương tác điện từ phạm vi hữu hạn. Thứ hai, những sóng mờ cho một ví dụ của trường hiệu dụng bộc lộ ra nửa ở phía ngoài của môi trường điện môi. môi Hai điểm này liên quan tới nền tảng của quang học trường gần và photonics trường gần. Near-Field Nano- Optics

40

Sự Sự phá phá vỡ vỡ của của phản phản xạ xạ nội nội toàn toàn phần phần và và quan quan sát sát quang quang học học trường trường gần gần Hình 1.3. Sóng mờ và phép đo nó, (a) Sóng mờ Fresnel xuất hiện khi ánh sáng tới tại góc phản xạ nôi toàn phần, (b) Sóng mờ biến mất khi sự liên tục được khôi phục tại bề mặt ranh giới, (c) phản xạ nội toàn phần bị phá vỡ trong: một phần của sóng mờ được truyền vào trong một lăng kính thứ hai được đặt ở một khoảng cách gần bậc chiều sâu thâm nhập của sóng mờ. (d) phản xạ nội toàn phần bị phá vỡ một đầu dò tại chỗ: nguyên lý cơ bản của hiển vi quang học trường gần (NOM). (e) phản xạ nội toàn phần bị suy giảm: vật liệu hấp thụ ánh sáng nằm trên bề mặt hấp thụ một phần sóng mờ, và kết quả là sóng phản xạ bị suy giảm. (f) phản xạ nội toàn phần bị suy giảm bằng đầu dò thuôn tại chỗ với các đặc trưng hấp thụ ánh sáng. 41

Near-Field Nano- Optics

Hiệu ứng phản xạ nội toàn phần bị phá vỡ cho chúng ta biết rằng chúng ta có thể quan sát những sóng mờ bởi nhúng một đầu dò vào trong vùng mờ và đo những sóng quang học tán xạ bởi một đầu thu quang.

Near-Field Nano- Optics

42

Có Có một một cách cách khác khác để để quan quan sát sát sóng sóng mờ, mờ, bằng bằng cách cách sử sử dụng dụng nguyên nguyên tử tử hoặc hoặc phân phân tử, tử, mà mà có có thể thể hấp hấp thụ thụ cộng cộng hưởng hưởng năng năng lượng lượng quang quang học học từ từ sóng sóng mờ. mờ. trong trong trường trường hợp hợp này này người người ta ta có có thể thể đo đo độ độ suy suy giảm giảm của của sóng sóng phản phản xạ xạ khi khi người người ta ta đưa đưa một một hấp hấp thụ thụ đến đến vùng vùng lân lân cận cận của của bề bề mặt, mặt, nghĩa nghĩa là, là, người người ta ta đưa đưa một một đầu đầu dò dò hấp hấp thụ thụ vào vào trường trường mờ mờ (hình. (hình. 1.3e). 1.3e). Hiện Hiện tượng tượng tương tương ứng ứng được được viện viện dẫn dẫn như như phản phản xạ xạ nội nội toàn toàn phần phần bị bị suy suy yếu. yếu. Khi Khi năng năng lượng lượng hấp hấp thụ thụ là là tái tái bức bức xạ xạ trong trong mẫu mẫu dưới dưới dạng dạng huỳnh huỳnh quang quang nguyên nguyên tử tử hoặc hoặc phân phân tử, tử, ta ta có có thể thể quan quan sát sát được được tại tại trường trường xa. xa. Kiểu Kiểu sự sự thí thí nghiệm nghiệm này này là là một một trong trong số số kỹ kỹ thuật thuật hữu hữu ích ích nhất nhất để để quan quan sát sát những những thuộc thuộc tính tính quang quang học học (của) (của) những những nguyên nguyên tử tử và và những những phân phân tử tử hấp hấp thụ thụ bám bám trên trên mặt mặt ngoài ngoài của của chất chất điện điện môi. môi. Nó Nó cũng cũng được được dùng dùng để để quan quan sát sát những những tương tương tác tác nguyên nguyên tử tử với với bề bề mặt mặt vật vật chất, chất, như như tương tương tác tác van van der der Waals Waals và và các các hiệu hiệu ứng ứng quang quang học học lượng lượng tử tử liên liên quan quan Near-Field Nano- Optics

43

1.3.1. Các đo đạc quang trường gần. Những trường hiệu dụng và những phép đo Trường Gần Những thuộc tính quang học trong nghĩa thông thường được quy cho sự đáp ứng vĩ mô của vật liệu trung bình trên một thể tích lớn cỡ bước sóng của ánh sáng tới. Tuy nhiên, chúng ta có thể xem xét những tương tác điện từ đáng kể là nguyên nhân những thuộc tính quang học vĩ mô của chất điện môi. Near-Field Nano- Optics

44

Hình 1.4. (a) Những thuộc tính quang học vĩ mô và những tương tác điện từ quan sát được tại kích thước không gian khác nhau. Những tương tác phạm vi ngắn hơn được theo vết ra ngoài hoặc lấy trung bình để tạo ra những đáp ứng quang học tại quy mô lớn hơn. (b) những tương tác điện từ vi mô thể hiện ra nửa vòng ngoài của không gian gần bề mặt ranh giới. (c) thu nhận trường tại chỗ bằng việc sử dụng những đầu dò có khả năng tương quan tốt với trường hiệu dụng tại chỗ. 45 Near-Field Nano- Optics

Thu nhận trường gần của những sự kiện trường gần Tiếp theo, chúng ta hãy xem xét một quá trình quang học kéo theo một hệ thống vật chất mà có thể tách ra hai hệ thống con cô lập về điện tử; một tương ứng tới đối tượng và cái kia - đầu dò. Cho rằng một sơ đồ cô lập được thực hiện giữa một nguồn ánh sáng và một đầu thu quang, sao cho sự lan truyền từ nguồn sáng đến bộ đầu thu quang chỉ qua tương tác giữa đối tượng và đầu dò. Một sơ đồ cô lập như vậy chính là một trong những yêu cầu cơ bản cho những phép đo trường gần.

Near-Field Nano- Optics

46

Để quan sát trường hiệu dụng gần đối tượng chúng ta phải sử dụng một đầu dò với những đặc trưng sau: • Trước hết, đầu dò phải có kích thước nhỏ như đối tượng, xác định độ xuyên sâu của trường hiệu dụng, một khi trường hiệu dụng tương ứng tới tương quan điện từ sản sinh ra trong bản thân đối tượng. • Thứ hai, đầu dò phải được đặt gần đối tượng, ng nơi trường hiệu dụng với độ xuyên sâu ngắn còn đáng kể. Đối tượng nhỏ và đầu dò sẽ hình thành một hệ thống con tương tác. Near-Field Nano- Optics

47

Kết quả là, trường hiệu dụng của đối tượng trở thành một trường nội của hệ thống kết hợp, tạo ra một sóng ánh sáng tán xạ từ đầu dò và kéo đến đầu thu quang. Ý tưởng như vậy cho việc thu nhận trường gần của những sự kiện trường gần là bản chất cho việc chẩn đoán trường quang học gần của các hệ thống vật chất. Near-Field Nano- Optics

48

Tiêu chuẩn cho những phép đo trường gần Một trong những chìa khóa là sự tồn tại của một vùng hẹp trong hệ thống quang học. Sự tồn tại của một vùng hẹp tương ứng tới Ka hiện thân là một tham số nhỏ đặc trưng cho quá trình tán xạ trong hệ thống con. Từ quan điểm lý thuyết, điều này cho phép chúng ta mở rộng tương tác đối tượng đầu dò như một chuỗi hỗn loạn dưới dạng luỹ thừa của Ka.

Near-Field Nano- Optics

49

Điều này cung cấp cho chúng ta một cách đặt tiêu chuẩn cho phép đo trường gần của một sự kiện trường gần. Chúng ta mô tả quan hệ này bằng:

[

1 >> β S [Ka ] >> βV (Ka )

2

]

βs và βV là những hệ số với những độ lớn của bậc

đơn vị mô tả, tương ứng những số hạng bề mặt và khối trong tiềm năng tán xạ Near-Field Nano- Optics

50

Điều kiện này giữ nguyên khi cả hai kích thước a của tán xạ và khoảng cách r của điểm quan sát là nhỏ so sánh với bước sóng tới 2πk -1,

ka << kr << 1 Những hiệu ứng trường gần sau đó được rút ra như những quá trình bậc một trong chuỗi nhiễu xạ của hiện tượng tán xạ ánh sáng. ⇒ Kỹ thuật chế tạo những đầu dò trường gần tinh tế là quan trọng nền tảng. Near-Field Nano- Optics

51

Hình 1.5. So sánh những phương pháp thăm dò vĩ mô và tại chỗ . (a) đo đạc quang phổ và phép đo đầu dò tại chỗ của các mode dao động bề mặt. (b) phép đo quang phổ (phép đo trường xa) của mode tại chỗ chỉ có thể khi tần số cộng hưởng của nó rơi vào vùng cấm của phổ mode khối lớn. (c) đầu dò tại chỗ làm nên một tiếp xúc trực tiếp với mode tại chỗ cung cấp thông tin bất chấp liên quan phổ của nó tới mode khối lớn. Điếu đó đảm bảo ví dụ cho phép đo trường gần của một sự kiện tại chỗ. 52 Near-Field Nano- Optics

1.4 Phân tích lý thuyết các vấn đề NFO 1.4.1. NFO và các sóng không đồng nhất. Sóng mờ Fresnel và sự biểu diễn của nó Quang học trường gần trong trường hợp này được mô tả dưới dạng sóng mờ Fresnel, là mode kết hợp của một trường điện từ với vật liệu điện môi, bộc lộ ra nửa - không gian ở phía ngoài của vật liệu vì tính không liên tục tại bề mặt

Near-Field Nano- Optics

53

Sóng mờ xuất hiện dọc theo một bề mặt chất điện môi phẳng được đặc trưng bởi độ xuyên sâu của nó vào trong không khí, mà được xác định bởi cả góc tới của sóng ánh sáng và đáp ứng quang học của vật liệu tạo ra chất điện môi. Sự mô tả lý thuyết của sóng có độ xuyên sâu hữu hạn sử dụng những sóng phẳng với vectơ sóng phức. Phần ảo của số sóng thể hiện sự suy giảm theo hàm số mũ của cường độ trường theo hướng vuông góc với bề mặt, và vectơ sóng thực nằm trong mặt phẳng song song với bề mặt đại diện cho một sóng gần bề mặt cùng pha với sóng tới và sóng phản xạ trong môi trường chất điện môi. Near-Field Nano- Optics

54

Sự biểu diễn phổ góc của trường tán xạ Trường ánh sáng tán xạ từ một thể vật chất với hình dạng bất kỳ dưới dạng sóng phẳng lan truyền cộng với sóng mờ được xác định nửa không gian phân ra bởi một ranh giới phẳng giả thiết. Sự nghiên cứu này được gọi là sự biểu diễn phổ góc của sóng tán xạ. Ta có thể áp dụng sự mô tả sóng phẳng thậm chí cho một hệ thống không có bất kỳ sự đối xứng dịch chuyển không gian nào. Điều này có thể được bằng việc mở rộng vectơ sóng vào trong vùng phức. Một phương pháp lý thuyết như vậy là - sự mở rộng giải tích (analytic continuation) Near-Field Nano- Optics

55

Trong khung lý thuyết này, những sóng với vectơ sóng phức được gọi sóng không đồng nhất, trong khi mà những sóng thực được viện dẫn như - những sóng đồng nhất.

Near-Field Nano- Optics

56

Những trường mờ và các vấn đề xuyên đường ngầm Tồn tại hai kiểu biểu diễn phổ góc cho sóng không đồng nhất: a. vectơ sóng giảm theo hàm mũ (Im {kz} > 0) và b. tăng theo hàm mũ (Im {kz} < 0), tương ứng. Khi điều khiển một vấn đề tán xạ vật thể đơn, ta thường bỏ cái b. bởi biên độ của nó đi tới vô hạn trong giới hạn trường xa (z→ +∞). Tuy nhiên, khi chúng ta xem xét vấn đề hai vật thể mà trong đó trường tán xạ từ một vật thể tái tán xạ bởi vật thể khác, cả hai sóng không đồng nhất tăng hoặc giảm giữ nguyên hữu hạn giữa các vật thể tán xạ. Near-Field Nano- Optics

57

Độ lớn kết hợp giữa các vật thể tán xạ có thể được mô tả dưới dạng một sự chồng chập tích phân của những sóng không đồng nhất. Sau này vấn đề tán xạ ánh sáng giữa hai vật thể tương tự như hiệu ứng xuyên đường hầm. Thật ra, vấn đề phản xạ nội toàn phần tại một bề mặt chất điện môi phẳng về cơ bản là một chiều vì sự đối xứng tịnh tiến dọc theo bề mặt ranh giới. Hình thức toán học cũng hệt như trường hợp bờ thế đối với sóng Schrodinger trong trường hợp của phân cực đặc trưng (TE) của sóng ánh sáng tới. Near-Field Nano- Optics

58

1.4.2. Phân tích lý thuyết trường của các vấn đề NFO. Những vấn đề nhiễu xạ và quang học trường gần Có một cách khác để mô tả hiện tượng trường quang học gần dưới dạng lý thuyết nhiễu xạ của ánh sáng Một trong những vấn đề quan trọng nhất là sự nhiễu xạ của ánh sáng khẩu độ nhỏ, nơi mà sóng tới phẳng bị nhiễu xạ bởi một khẩu độ kích thước nhỏ hơn bước sóng khoan qua một mặt phẳng dẫn phẳng. Vấn đề liên quan đầu tiên tới cường độ tán xạ trong trường xa Near-Field Nano- Optics

59

Tán xạ ánh sáng bởi một hình cầu nhỏ Vấn đề tán xạ ánh sáng bởi một hình cầu nhỏ đã là đối tượng nghiên cứu sâu dựa vào lý thuyết của Mie cho tán xạ từ những hình cầu kim loại, liên quan tới cộng hưởng plasmon. Lý thuyết mô tả những trường vectơ biểu diễn hàm trong toạ độ cầu và những hoạ ba vectơ cầu.

Near-Field Nano- Optics

60

Nhiễu xạ của quả cầu kim loại vi mô có cả hai khía cạnh điện môi lẫn chất dẫn điện. Nghiên cứu sâu sắc tính phân cực và tán xạ của hình cầu nhỏ đã được tính trên nền tảng của những điều kiện biên bổ sung tính toán cho đáp ứng không tại chỗ của vật liệu tới một trường quang học.

Near-Field Nano- Optics

61

Quang học nhiều vật thể và tiếp cận tự phù hợp

Quang học nhiều vật thể giải thích cho tán xạ nhiều lần của sóng ánh sáng trong một hệ thống quang học phức tạp đã được phát triển trên cơ sở của sự mô tả việc lan truyền tương tác và tiếp cận tự phù hợp để tìm thấy những hàm mode tối ưu cho hệ thống Near-Field Nano- Optics

62

Trường mờ và Phôtôn ảo Trường mờ được xem xét như một trong những khả năng thay thế sự mô tả phôtôn ảo xuất hiện trong điện động lực học lượng tử Ở đây phôtôn ảo là hạt tải của tương tác điện từ trong chế độ lượng tử, mà nằm ngoài quan hệ tán sắc phôtôn bình thường và do vậy không thể quan sát được bên ngoài hệ thống tương tác, nhưng có thể quan sát được ở trong hệ thống bằng một phép đo phá hủy qua tương tác trực tiếp với một đầu dò. Near-Field Nano- Optics

63

Near-Field Nano- Optics

64

Hình 1.6. Sóng lan truyền (đồng nhất) và sóng mờ (không đồng nhất) và những quan hệ tán sắc của sóng ánh sáng (các phôtôn).(a) Phản xạ và khúc xạ của sóng đồng nhất.(b) Sóng đồng nhất dựa trên quan hệ tán sắc của sóng ánh sáng hoặc những phôtôn. (c) sự tương tác của hai chất điện môi sinh qua sóng ánh sáng lan truyền. (d) sự tương tác của vật liệu qua sóng lan truyền: quá trình này có thể rút gọn xuống được tới hai phần riêng biệt của tương tác của sóng ánh sáng với vật liệu. Ta có thể tìm thấy một sóng quang học tại bất kỳ phần nào của những quá trình tương tác liên tiếp này mà dựa trên quan hệ tán sắc của những sóng ánh sáng hoặc những phôtôn. (e) Phản xạ nội toàn phần và sóng mờ tại một ranh giới của chất bán dẫn. (f) Sóng không đồng nhất nằm ngoài quan hệ tán sắc của sóng ánh sáng hoặc các phôtôn. (g) sự tương tác của hai vật liệu điện môi qua một sóng mờ. (h) sự tương tác của vật liệu qua sóng mờ: quá trình này không thể tối giản thành hai phần riêng biệt vì bản chất đa vật thể. Nếu ta cắt quá trình này, ta thấy một trường điện từ mà định tính khác với những sóng ánh sáng tuân theo quan hệ tán sắc. Chúng ta có thể mô tả một trường hiệu dụng như những sóng mờ hoặc những phôtôn ảo mà nằm ra ngoài những đường cong tán sắc của phôtôn. 65 Near-Field Nano- Optics

sóng mờ tách khỏi biệt từ sóng ánh sáng bình thường bởi việc nằm bên ngoài quan hệ tán sắc của những phôtôn, như được minh họa trong các hình. 1.6 b và 1.6 f. Điều này là do trường mờ là một mode kết hợp của trường điện từ với vật liệu. Near-Field Nano- Optics

66

Sự lượng tử hoá sóng mờ Do sóng mờ thể hiện một mode kết hợp của trường điện từ với bề mặt chất điện môi, mình nó không thể được xem xét như một trường tự do. Kết hợp với sóng tới và phản xạ trong nửa không gian của chất điện môi qua hệ thức Fresnel tại ranh giới chất điện môi - không khí, sóng mờ được xem xét như một bộ phận của một trường tự do hiệu dụng thích hợp cho lượng tử hoá. Near-Field Nano- Optics

67

Trường sóng mờ và sự kích thích bề mặt So sánh sự lượng tử hoá của sóng mờ với lý thuyết kích thích cơ bản trong một môi trường vật chất mang lại nhiều thông tin mới, như ý tưởng về exciton polariton được Hopfield đề xướng đầu tiên vào năm 1958. Mặc dù sóng phân cực bề mặt tại bề mặt một chất điện môi cho hành vi cộng hưởng không đặc biệt trong quan hệ tán sắc của nó, sự so sánh như vậy đưa ra cho chúng ta một cách hiểu những quá trình nền tảng đi theo trong những vấn đề về trường quang học gần. Near-Field Nano- Optics

68

1.4.3. Sự nghiên cứu tường minh của tương tác trường - vật chất

Dựa trên sự mô tả cơ học lượng tử của tương tác của hạt tải điện với trường điện từ, vốn là một trong những vấn đề hấp dẫn nhất trong vật lý hiện đại Near-Field Nano- Optics

69

1.5 Một vài điều đáng lưu ý về NFO và những điểm chính của môn học 1.5.1. NFO và các vấn đền liên quan. Chúng ta có thể đo trường hiêu dụng của vật chất trên những quy mô khác nhau của sự định vị bằng thu nhận trường gần và những sự kiện trường gần. Chúng ta có hai quy mô khác nhau trong phép đo quang học của vật chất: một là kích thước của mẫu vật chất và thứ hai là bởi phạm vi không gian của trường điện liên quan đến tới kỹ thuật đo đặc trưng. Near-Field Nano- Optics

70

Near-Field Nano- Optics

71

Hình 1.7. Quang học trường gần và những vấn đề liên quan. Những quá trình quang học được cho thấy dưới dạng những quy mô do kích thước của đối tượng vật chất và phạm vi không gian của trường hiệu dụng. Cái thứ hai có thể được xem xét như khoảng cách từ đối tượng đến điểm quan sát. Sóng quang học trong vùng nhìn thấy tới được giả thiết trong biểu đồ này. Theo phạm vi không gian của trường hiệu dụng, chúng ta có thể phân biệt ba vùng điển hình của những trường hiệu dụng: vùng cho những sóng ánh sáng lan truyền, trường gần, và những sự kích thích vật chất tại chỗ. Ta có thể chuyển quy mô theo bước sóng sử dụng chiếu sáng. Vùng tương xứng với đáy trái được xem xét như vùng bị chắn. Near-Field Nano- Optics

72

Những điểm chính của môn học. „ „ „ „ „ „ „

Nguyên lý của kính hiển vi quang học trường gần. Thiết bị Chế tạo đầu dò Các thí nghiệm vẽ hình ảnh. Dự báo và quang phổ của những thiết bị và vật liệu quang tử Chế tạo và thao tác với mẫu. Lý thuyết

Near-Field Nano- Optics

73

Chương II:NHỮNG NGUYÊN LÝ CỦA KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN 2.1. MỘT VÍ DỤ VỀ KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN NOM mode - tập hợp: Chiều cao là hằng số NOM mode - chiếu sáng: đảo ngược vai trò của nguồn ánh sáng và đầu thu quang để chuẩn bị một thí nghiệm NOM mode - soi sáng, cường độ thu được là hằng số Near-Field Nano- Optics

74

Hình 2.1: Sơ đồ đặc trưng của kính hiển vi quang học trường gần (NOM). Trong trường hợp này sử dụng đầu dò quang sợi và thu gom tín hiệu. 75 Near-Field Nano- Optics

Một mẫu kích thước nanomet được đặt trên một đế chất điện môi phẳng, sạch và chiếu sáng bởi một sóng mờ được tạo ra bởi ánh sáng tới tại góc phản xạ nội toàn phần. Một đầu dò quang sợi với một đầu dò thuôn kích thước nanomet được quét bởi một bộ điều khiển áp điện ba chiều trên một mặt phẳng vài chục nanomet ở trên đế. Công suất quang học được thu nhặt và đầu dò quang sợi truyền dẫn đến một đầu thu quang rất nhạy để đo. Ánh xạ cường độ tín hiệu thu được như một hàm theo toạ độ phẳng của đầu dò thuôn với máy tính giúp đỡ xử lý tín hiệu - kết quả hình vẽ NOM của mẫu. Near-Field Nano- Optics

76

Sự quan trọng của chế độ quang học trường gần chỉ biểu lộ chính nó khi nó bị quấy động và lấy mẫu trong vùng lân cận gần của vật liệu. Bởi vậy một quá trình trường gần quang học đại diện cho sự tương tác điện từ giữa những vật thể vật chất được đặt sát gần hơn một bước sóng quang học. Sự thu nhận trường gần như vậy của một sự kiện trường gần là quá trình cơ bản mà cho phép kỹ thuật dùng kính hiển vi này ra ngoài giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng. ng Trong mục này chúng ta tự hạn chế mình để mô tả kỹ thuật và nguyên lý của NOM mode - tập hợp. Tuy nhiên, trong hiểu biết của chúng ta tính tổng quát không mất đi về bản chất vật lý của kính hiển vi trường quang học Near-Field gần đầu dò quét. 77 Nano- Optics

Sau đây là một ví dụ của kính hiển vi quang học trường gần. „ • Chuẩn bị một đầu dò quang sợi mài sắc có một đầu dò thuôn được chế tạo đặc biệt, kích thước nanomet trên một đầu của một quang sợi đơn mode. „ • Lắp đầu dò quang sợi lên l một bộ áp điện chuyển đổi ba chiều, làm cho nó có thể quét đầu dò thuôn theo các hướng x, y, và z với sự chính xác nanomet sử dụng một bộ điện tử tự ổn định. „ • Nối đầu khác của quang sợi tới một máy thu tìm quang học rất nhạy quang như bộ nhân quang điện. „ • Chuẩn bị một lăng kính rất sạch như một đế và đặt một mẫu chất điện môi kích thước nanomet lên nó. Near-Field Nano- Optics

78

„ „

„

„

• Chiếu sáng mẫu bởi một sóng mờ trên bề mặt lăng kính khi ánh sáng tới với góc phản xạ nội toàn phần. • Điều khiển đầu dò thuôn rất gần bề mặt lăng kính, theo dõi công suất quang học thu nhận được tăng theo hàm lũy thừa khi đầu dò thuôn đi tiếp vào trường mờ. • Giữ nguyên chiều cao của đầu dò thuôn cách vài nanomet trên bề mặt lăng kính, quét đầu dò trong một hình chữ nhật kích thước nhỏ hơn micromet trên mặt mẫu. • Vẽ bản đồ công suất quang học thu được trên mặt phẳng quét với sự hiển thị thích hợp như màn hình hiển thị tia catôt với sự giúp đỡ của một máy tính và phần mềm hình thành hình ảnh. Near-Field Nano- Optics

79

„

„

• Bỏ qua tín hiệu nền tương đối phẳng và quan sát hình ảnh NOM của mẫu kích thước nanomet như một bản đồ của chiều cao tín hiệu qua ánh sáng vùng bước sóng nhìn thấy đã được sử dụng để chiếu sáng. • Hãy cẩn thận trong khi giải thích hình ảnh một khi hình ảnh NOM cung cấp thông tin về những thuộc tính quang học của mẫu cũng như hình dạng hình học của nó; tham khảo những lý thuyết thích hợp.

Near-Field Nano- Optics

80

2.2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG NOM 2.2.1. Những khối nền tảng của hệ thống NOM Sự giải thích của bất kỳ hình ảnh NOM nào yêu cầu một sự đánh giá thích hợp những khối nền tảng của hệ thống NOM đặc biệt cho tất cả đặc trưng sau: „• Sự tương tác điện từ tại chỗ: Sự tương tác điện từ có trên quy mô nhỏ hơn bước sóng: quá trình trường gần << λoptical „• Kết hợp từ trường gần tới trường xa: xa Sự tương tác điện từ dàn xếp tín hiệu chuyển từ sự tương tác điện từ cấp độ dưới bước sóng thành những sóng ánh sáng lan truyền: quá trình trung gian ~ λoptical. „• Tập hợp và truyền tín hiệu: Sóng ánh sáng được dẫn vừa từ nguồn đến mẫu vừa từ đầu dò đến đầu thu quang ; số lượng liên quan tới quá trình trường gần là công suất quang học hoặc số phôtôn được phát hiện ra:Near-Field quá Nanotrình trường xa >> λoptical 81 Optics

Hệ thống NOM chưa là đầy đủ khi ta đơn giản chỉ rõ quá trình quang học và sự thu nhận nó. Những phần sau là những thành phần rất cần thiết trong chức năng của NOM để tạo ra hình ảnh một mẫu: • Tạo ra hình ảnh NOM Đầu dò thuôn được quét và tín hiệu được vẽ bản đồ để tạo hình thành hình ảnh của đối tượng mẫu; Việc tính trung bình tín hiệu và loại trừ nền tín hiệu là bộ phận của xử lý hình ảnh. Xử lý tín hiệu và kỹ thuật hình thành hình ảnh thì tương tự như đã phát triển cho STM điện tử. • Giải thích hình ảnh Cường độ tín hiệu không thể đơn giản có liên quan tới hình ảnh phép họa đồ. Sự xem xét cẩn thận phải được đư-a về những thuộc tính quang học của mẫu, sự phụ thuộc phân cực của tín hiệu, cách mà sóng được dẫn từ đầu dò thuôn đến đầu thu quang, v. v.. Đòi hỏi sự xem xét lý thuyết thích 82 Near-Field Nano- Optics hợp.

2.2.2. Những điều kiện môi trường Trong thí nghiệm NOM, những điều kiện phụ sau cũng được yêu cầu, bao gồm chế tạo đầu dò, sự chuẩn bị mẫu, v. v.. : • Chuẩn bị đầu dò thuôn Các loại đầu dò thuôn đa dạng, sẵn có và cách thao tác theo những thuộc tính quang học của mẫu, kích thước, và môi trường. Kích thước đầu dò thuôn đảm bảo việc đo đạc với độ phân giải có thể đạt tới được miễn là những điều kiện khác thích hợp, như việc che chắn nền tín hiệu, sự chính xác trong sự chuyển động, và tiếng ồn còn dư trong cơ cấu điều khiển phụ của đầu dò thuôn. 83 Near-Field Nano- Optics

„ Nguồn

và đầu thu ánh sáng

Độ ổn định và cường độ của nguồn ánh sáng và độ nhạy của đầu thu quang xác định chất lượng và độ phân giải của hình ảnh NOM. Đối với mẫu kích thước nanomet thì công suất thu nhặt thì tất yếu là yếu và độ nhạy rất cao đến tới ngang mức đếm phôtôn, đòi hỏi phụ thuộc vào bản chất của đầu dò thuôn, những phương tiện tập hợp tín hiệu và xử lý tín hiệu, v. v..

Near-Field Nano- Optics

84

• Chế tạo mẫu Để thu được độ phân giải nanomet cần chuẩn bị mẫu cẩn thận; Một mẫu tốt cần thì phải chuẩn bị sao cho nó chỉ là một đầu thò ra trên nền phẳng một cách tương đối và được gắn chặt trong một lớp mỏng. Mẫu cũng cần phải cô lập đủ sao cho không giao thoa với các vật xung quanh nó. • Môi trường hoạt động Môi trường hoạt động có thể là chân không, không khí, hoặc chất lỏng. • Những điều kiện thích hợp cho phòng thí nghiệm Đòi hỏi độ cách âm nhất định phụ thuộc vào độ phân giải mong muốn, độ chắc chắn của đầu dò, độ ổn định của nền, v. v.. Near-Field Nano- Optics

85

Sự tương tác điện từ tại chỗ Cái được xem xét đầu tiên là sự tương tác điện từ tại chỗ giữa mẫu kích thước nanomet và đầu dò thuôn, thể hiện một bản chất tầm ngắn, đó là, sự tương tác là có hiệu quả chỉ khi mẫu và đầu dò rất gần nhau. Một sự tương tác điện từ tầm ngắn như vậy tương ứng tới một sự hỗn loạn rất tại chỗ của nền điện từ bởi sự tồn tại những đối tượng vật chất kích thước nhỏ hơn bước sóng, nghĩa là, mẫu và đầu dò thuôn. Những thuộc tính quang học và phân bố trường nội của hệ thống đầu dò cần phải đơn giản để để đo đặc tính hình học của mẫu. Near-Field Nano- Optics

86

Kết hợp từ trường gần tới trường xa Sự biến dạng tại chỗ trong trường điện từ được biểu lộ khi ta tính đến một quá trình điện từ vi mô trong vùng lân cận rất gần của vật chất. Tuy nhiên, chúng ta thường quan sát một trung bình vĩ mô ít nhất của vùng có kích thước lớn hơn bước sóng khi chúng ta quan sát sự tương tác ánh sángvật chất như hệ thống nguồn sáng cộng hệ thống thu. Để quan sát sự tương tác tại chỗ giữa mẫu và đầu dò thuôn ta phải kết hợp sự kiện tại chỗ tới một trường lan truyền nào đó mà trải dài tới nguồn ánh sáng và đầu thu quang. Đó là, chỉ bằng việc sử dụng ánh sáng lan truyền ta có thể rút ra thông tin về sự tương tác tại chỗ. Những sơ đồ kết hợp trong hệ thống mô tả công thức sử dụng một sóng mờ chiếu sáng mẫu và kết nối đầu dò thuôn tới một quang sợi đơn mode. Near-Field Nano- Optics

87

Hình 2.3. Những đặc trưng cơ bản được yêu cầu cho một đầu dò thuôn NOM như một bộ lọc tần số không gian. Cả hai sự ghép nối của trường vùng gần - tới xa và sự che chắn của những sự tương tác quy mô lớn là những điều quan trọng cơ bản cho những đầu dò NOM. Near-Field Nano- Optics

88

Tập hợp và truyền tín hiệu Để gửi một thông tin cho một mẫu tại chỗ và để quan sát phản ứng của nó, chúng ta sử dụng một nguồn ánh sáng và một đầu thu quang được đặt ở hai đầu của hệ thống quang học, như thường lệ cho bất kỳ kiểu phép đo quang học nào. Hai khía cạnh quan trọng của hệ thống NOM là một sơ đồ để cô lập trường nguồn từ trường máy thu và một kỹ thuật thu sóng quang siêu nhạy. Việc cô lập giảm bớt nền tín hiệu, vốn chứa đựng thông tin không phải về sự kiện tại chỗ, nhưng cho trung bình những thuộc tính quang học của hệ thống. Để đạt được sự cô lập như vậy sóng mờ tới dưới góc phản xạ nội toàn phần và một khẩu độ nhỏ với một đầu dò thuôn bọc kim loại hoặc một ống dẫn sóng dạng hình nón dốc được sử dụng. Những điều trên làm tăng sự lọc tần số không gian trong chế độ tần số thấp hơn. Near-Field Nano- Optics

89

Sự tạo ra hình ảnh NOM Thông thường như cho kính hiển vi đầu dò quét chung, như STM điện tử và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), hình ảnh NOM với sự giúp đỡ của máy tính ánh xạ tín hiệu tại những vị trí của đầu dò thuôn quét theo hai trục toạ độ. Ta có thể sử dụng thao tác hoặc chiều cao - hằng số hoặc cường độ - không đổi, phụ thuộc vào mục đích của phép đo. Trong trường hợp thứ hai vòng phản hồi điện tử được thiết đặt với bộ điều khiển kiểm tra chiều cao với dich chuyển piezo ba chiều.

Near-Field Nano- Optics

90

Giải thích hình ảnh Để giải thích tín hiệu NOM, ta cần sử dụng các quan điểm phân tích lý thuyết, ví dụ như, bản chất của sự tương tác giữa mẫu và đầu dò thuôn, sự phụ thuộc phân cực vào hệ thống chiếu sáng và thu nhặt tín hiệu, và sự phụ thuộc của sự truyền tín hiệu của đầu dò quang sợi dưới sự điều biến không gian của trường tại chỗ mô tả cơ sở Fourier không gian tần số.

Near-Field Nano- Optics

91

2.3. SỰ MÔ TẢ LÝ THUYẾT KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC TRƯỜNG GẦN 2.3.1. Đặc tính cơ bản của quá trình NOM Từ quan điểm toàn cảnh, hệ thống NOM là một phiên bản rất phức tạp của vấn đề tán xạ ánh sáng trong đó sự tương tác điện từ của vấn đề xuất hiện cùng lúc trên vài quy mô điển hình khác nhau. Tuy nhiên, về nguyên tắc, nếu NOM phải làm việc, thì nó cần cung cấp một mô tả lý thuyết và hiểu biết đơn giản của tương tác điện từ tại chỗ, nếu không chúng ta không thể bàn luận về bất kỳ hình ảnh NOM nào trong quan hệ tới bản chất phép họa đồ của mẫu được quan sát. 92 Near-Field Nano- Optics

Hình 2.4.(a) cấu hình NOM như một quá trình quang học và (b) quá trình tương tác đặc trưng xử lý với vài quy mô khác biệt. Có ba phần cơ bản: sự tương tác điện từ tại chỗ trong chế độ trường gần (<< λ0), kết hợp trường gần tới trường xa sự ghép nối trên quy mô trung gian (~ λ0), và nguồn chiếu sáng 93 và ánh sáng truyền ở quy mô vĩ mô Near-Field Nano-(>>λ Optics ). 0

2.3.2. Trích ra một hệ thống con có ý nghĩa

Hình 2.5. Các khối nền tảng của NOM và các đặc trưng của nó: (a) tương tác trường gần, (b) Kết hợp trường gần tới trường xa, (c) chiếu sáng và truyền tín hiệu. 94 Near-Field Nano- Optics

2.3.3. Biểu hiện của sự định vị trong tương tác trường gần Sự truyền đạt đến một cực đại khi kích thước của khẩu độ và của hình cầu trùng nhau. Hành vi kích thước - cộng hưởng sắc bén này trình diễn đặc trưng quan trọng khác của quá trình NOM thông thường, mà sự tương tác trường quang học gần giữa một hình cầu và một khẩu độ thể hiện một loại đặc tính cộng hưởng đối với tần số không gian. Near-Field Nano- Optics

95

Hình 2.6. Đường giảm nhanh-đặc trưng phụ thuộc vào kích thước của sự tương tác quang học trường gần giữa một hình cầu điện môi nhỏ (mẫu) và một khẩu độ nhỏ (đầu dò). Cường độ tán xạ toàn phần vào trong vùng trường xa đằng sau khẩu độ được chỉ báo như một hàm của khoảng cách hình cầu- khẩu độ. Điều này cho thấy sự hiển nhiên của sự định vị phụ thuộc kích thước của tương tác quang học trường gần giữa đối tượng cỡ nhỏ hơn bước sóng. 96 Near-Field Nano- Optics

Hình 2.7. Những đặc trưng kích thước cộng hưởng trong sự tương tác quang học trường gần được tính toán. Cường độ tán xạ toàn phần được tính toán như một hàm của kích thước của khẩu độ đầu dò. Điều này cho thấy sự hiển nhiên của một hiệu ứng kích thước cộng hưởng trong sự tương tác trường quang học gần giữa hình cầu kích thước nhỏ hơn bước sóng và khẩu độ. Near-Field Nano- Optics

97

2.3.4. Biểu diễn sự định vị không gian của một sự kiện điện từ Để hỗ trợ công việc thí nghiệm với NOM, sự đánh giá lý thuyết của cường độ tán xạ từ hệ thống mẫu - đầu dò là chưa đủ. Trước hết chúng ta cần hiểu căn nguyên của tần số không gian siêu cao mà cho phép NOM đi ra ngoài giới hạn sự nhiễu xạ của ánh sáng. Thứ hai chúng ta phải ước lượng độ phân giải không gian của NOM dựa trên ý tưởng hàm truyền tín hiệu mô tả những đặc trưng lọc tần số không gian của phép đo NOM. Near-Field Nano- Optics

98

Một trong những nghĩa hữu ích nhất của sự mô tả lý thuyết là sự biểu diễn phổ góc của trường tán xạ. Phổ góc cung cấp một cách để ước lượng sự tương tác điện từ của chế độ trường gần dưới dạng những sóng với tần số không gian rất lớn và tương ứng với độ dài suy giảm ngắn. Trường ánh sáng tán xạ từ một đối tượng hình dáng bất kỳ được biểu diễn dưới dạng sóng phẳng với phổ của phân bố góc của vectơ sóng mở rộng vào trong toàn bộ không gian phức. Nói cách khác, sóng tán xạ được biểu diễn như tổng của những sóng phẳng lan truyền (đồng nhất) trong tất cả các hướng không gian và những sóng mờ (không đồng nhất) với một toàn bộ tập hợp những giá trị của độ xuyên sâu. sâu Near-Field Nano- Optics

99

2.3.5. Mô tả mô hình của sự tương tác điện từ tại chỗ Những yêu cầu cho lý thuyết NOM được tổng kết như sau: • Một sự tính toán trường điện từ trình diễn sự tồn tại của một trường điện từ tại chỗ hóa trong chế độ trường gần và cung cấp hỗ trợ nghiêm túc cho một sự mô tả NOM tiện lợi hơn. • Biểu thức của sự tương tác mẫu - đầu dò thuôn dưới dạng một sự mô tả mode cho phép chúng ta hiểu gốc gác của sự lọc tần số không gian cao và dẫn đến độ phân giải nằm ngoài giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng. Điều này cung cấp cơ sở để xây dựng một hàm truyền tín hiệu của hệ thống NOM với đặc tính của một bộ lọc tần số không gian. Near-Field Nano- Optics

100

•

Sự chuẩn bị nền tảng toán học cho mode biến đổi giữa những sự mô tả điện từ phẳng, đồng trục, và hình cầu gồm có những hệ thống con quan trọng của hệ thống NOM toàn diện. • Mô hình trực giác và thực nghiệm của một quá trình gần tĩnh và quang học tại chỗ tầm ngắn liên quan đến sự tương tác mẫu - đầu dò thuôn trong một không gian kích cỡ nanomet.

Near-Field Nano- Optics

101

Ghi chú: những điều sau cần phải đánh giá cho sự giải thích hình ảnh NOM : Hành vi trường gần của trường mẫu ⊗ Sự Tương tác Mẫu - đầu dò ⊗ Chiếu sáng, tập hợp tín hiệu, và truyền

Near-Field Nano- Optics

102

2.4. NHỮNG VẤN ĐỀ TRƯỜNG GẦN VÀ QUÁ TRÌNH XUYÊN ĐƯỜNG HẦM 2.4.1. Mô tả của Bardeen về dòng xuyên đường hầm trong STM Ý tưởng cơ bản trong bức tranh của Bardeen để mô tả quá trình xuyên đường hầm trong STM là sự tách ra của hàm sóng mẫu ψS, mà dành cho nguồn, và hàm sóng đầu dò ψp mà dành cho đầu thu. Hàm sóng mẫu được định nghĩa là một hàm thích hợp chỉ trong nửa - không gian bao gồm nguồn và khe trống xuyên đường hầm, và hàm sóng đầu dò là hàm thích hợp trong nửa - không gian bao gồm đầu thu và khe trống xuyên đường hầm. Từ hàm sóng của toàn bộ hệ thống, Bardeen rút ra thành phần chéo cơ bản nhất của dòng xuyên đường hầm, và cung cấp cho một sự mô tả toàn diện của quá trình STM * *

{

(

) }

J Bardeen = −ie ψ p ∇ψ S − ∇ψ p ψ S Near-Field Nano- Optics

103

Hình 2.8. Vấn đề giá trị biên cho những bề mặt rời ra, và dòng xuyên đường hầm Bardeen. Ta có thể nhìn thấy đặc tính cá biệt của sự mô tả dòng xuyên đường hầm khi ta so sánh nó với vấn đề giá trị biên bình thường cho ranh giới được cho dựa vào định lý của Green. Near-Field Nano- Optics

104

2.4.2. So sánh những khía cạnh lý thuyết của Hình 2.9. Sóng NOM và STM

Near-Field Nano- Optics

mờ và quan hệ của chúng tới hiện tượng xuyên đường hầm. (a) sóng mờ phản xạ nội toàn phần trong trường hợp hàng rào thế một chiều. (b) Sóng mờ và hiệu ứng xuyên đường hầm trong trường hợp hàng rào thế một chiều. 105

Sự tương tác giữa hai vật tán xạ sát gần trong khu vực trường gần được mô tả dưới dạng một tích phân chồng chập của những thành phần phổ góc tương ứng (xem hình. 2.9 b). Bởi vậy sự biểu diễn phổ góc cung cấp một phép đo khoảng và sự định vị của sự tương tác trường gần. Chúng ta sẽ thấy rằng có thể phát triển một sự biểu diễn phổ góc của một vật lan truyền tương tác hai ranh giới. Bằng việc so sánh những sự mô tả lý thuyết này với trường hợp của sóng điện tử chúng ta có thể đạt được một cách xem xuyên đường hầm của quá trình NOM và hiểu nó trong khung chung của kính hiển vi đầu dò quét. Near-Field Nano- Optics

106