Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп

Полезная модель относится к криогенной технике и предназначена для исследований топографии и оптических свойств образцов в широком диапазоне температур.

Задачей полезной модели является разработка микроскопа, функционирующего в диапазоне температур 1,8-300 К с высокой чувствительностью.

Для решения поставленной задачи предложен сканирующий ближнепольный оптический микроскоп, содержащий зонд с сенсором поверхности, систему позиционирования зонда над образцом вдоль оси z, сканер, перемещающий образец вдоль осей x и y, светосильный зеркальный объектив, расположенный в дальней зоне, и передающий собранное излучение по многомодовому световоду в ФЭУ, электронный блок управления микроскопом. Микроскоп размещен на вставке в криостат, работающий в диапазоне температур от 1.8 до 300 К, вставка находится непосредственно в парах криогенного газа (гелия, или азота).

Результаты испытаний показали, что микроскоп обладает следующими основными параметрами:

- размер шага при сканировании: 0,01-2 мкм при 300 К, 10-400 нм при 4 К

- область сканирования: 40×40 мкм при 300 К, 15×15 мкм при 4 К

- максимальное перемещение: 5×5×5 мм

- оптическое разрешение ~ 50 нм

Таким образом, техническим результатом заявляемого сканирующего ближнепольного оптического микроскопа является функционирование в диапазоне температур 1,8-300 К с высокой чувствительностью, что стало возможным благодаря обеспечению в предложенной конструкции возбуждения образца через зонд и сбору отраженного излучения через светосильный зеркальный объектив, расположенных по одну сторону от образца.

Полезная модель относится к криогенной технике и предназначена для исследований топографии и оптических свойств образцов в широком диапазоне температур.

Известен сканирующий ближнепольный оптический микроскоп для исследования образцов в широком диапазоне температур (http://www.attocube.com/nanoSCOPY/SNOMIII.htm). Микроскоп размещен на вставке в криостат.Вставка включает в себя:

- устройство позиционирования вдоль осей x,y,z

- xyz - сканер

- одномодовое волокно с зондом

- кварцевый камертон с предусилителем.

Основные параметры микроскопа:

- размер шага при сканировании: 0,05-3 мкм при 300 К, 10-500 нм при 4 К

- область сканирования: 40×40 мкм при 300 К, 9×9 мкм при 4 К

- максимальное перемещение: 5×5×5 мм

Образец возбуждается светом лазера, прошедшим через одномодовое волокно с зондом. Прием переотраженного сигнала производится через тот же зонд. Такая методика приводит к значительному ухудшению чувствительности за счет потерь отраженного сигнала, содержащего информацио о локальных оптических свойствах образца. Потери связаны с очень малой аппертурой зонда (~100 нм).

Наиболее близким прибором по технической сущности является сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (http://www.cdpsvstems.com/moscan.html). Сканирующий ближнепольный микроскоп состоит из блока управления, пьезоэлектрического сканера, оптоволоконного зонда с прикрепленным кварцевым камертоном и оптической системы с фотоумножителем в качестве счетчика фотонов.Пьезоэлектрический сканер обеспечивает точное (непрерывное) и грубое (шаговое) перемещение образца относительно зонда. Основными частями сканера являются три пьезотрубки, обеспечивающих плавное перемещение плиты с образцом в плоскости Х и Y координат с размахом и «Z-модуль», обеспечивающий плавное перемещение каретки с зондом в вертикальной плоскости. Эти же элементы используются для шагового перемещения образца и зонда на расстояние примерно 1 мкм на шаг путем подачи импульсов тока, вызывающих плавное ускорение плиты с образцом или каретки с зондом, с последующим резким возвратом в исходное положение. При остановке происходит проскальзывание XY-плиты или каретки Z-модуля, в результате чего она перемещается на один шаг. Данный прибор позволяет использовать широкий набор методик микроскопии ближнего поля: исследование образца на отражение, на просвет; возбуждение поверхности через зонд (прием прошедшего или отраженного сигнала в таком случае осуществляется через объектив) и возбуждение отдельным источником света (прием отраженного сигнала осуществляется через зонд).

Основные параметры микроскопа:

- размер шага при сканировании: 0,01-1 мкм

- область сканирования: 40×40 мкм

- максимальное перемещение: 10×10×5 мм

- оптическое разрешение ~ 50 нм

Основным недостатком данного прибора является возможность исследования образцов исключительно при комнатной температуре.

Задачей полезной модели является разработка микроскопа, функционирующего в диапазоне температур 1,8-300 К с высокой чувствительностью.

Для решения поставленной задачи предложен сканирующий ближнепольный оптический микроскоп, содержащий зонд с прикрепленным сенсором поверхности камертонного типа, систему позиционирования зонда над образцом вдоль оси z, контролируемую системой обратной связи, сканер, перемещающий образец вдоль осей x и y, светосильный зеркальный объектив, расположенный в дальней зоне, и передающий собранное излучение по многомодовому световоду в ФЭУ, электронный блок управления микроскопом, снабженный программой. Микроскоп размещен на вставке в криостат, работающий в диапазоне температур от 1.8 до 300 К, вставка находится непосредственно в парах криогенного газа (гелия, или азота). Криостат снабжен резистивным нагревателем, расположенным на теплообменнике и термопарой, один из спаев которой расположен в гелиевом резервуаре, а другой - непосредственно около образца.

Система позиционирования зонда над образцом вдоль оси z состоит из пьезокерамического куба, направляющих и ползуна, выполненного с возможностью перемещения между направляющими, к верхней части ползуна присоединен держатель зонда.

Сканер микроскопа представляет собой полую пьезотрубку с электродами, сверху на трубку приклеена неподвижная сапфировая шайба, образец крепится на подвижную сапфировую шайбу, свободно лежащую на неподвижной.

Светосильный зеркальный объектив и зонд расположены по одну сторону от образца., изучение образца происходит в режиме «на отражение».

Программа управления микроскопом состоит из двух частей: одна работает при комнатных температурах, другая - при низких.

Предложенное устройство изображено на фиг.1, фиг.2 и фиг.3. На фиг.1 изображена вставка в криостат. Она содержит:

1. зонд

2. сенсор поверхности камертонного типа

3. образец

4. кабель камертона

5. система позиционирования зонда над образцом вдоль оси z

6. полая пьезотрубка с электродами

7. неподвижная сапфировая шайба

8. подвижная сапфировая шайба

9. светосильный зеркальный объектив

10. многомодовый световод

11. титановые трубки (подвес)

12. верхний несущий фланец

13. нижний несущий фланец

Криостат (фиг.2) содержит:

14. гелиевый резервуар

15. азотный резервуар

16. тепловой экран

17. шахта

18. теплообменник

19. резистивный нагреватель

Система позиционирования зонда над образцом вдоль оси z (фиг.3) состоит из:

20. направляющая

21. пружина

22. ползун

23. направляющая

24. держатель зонда

25. пластина прижима

26. неподвижный корпус

27. пьезокерамический куб

Микроскоп предназначен для получения двумерного набора P(X,Y) (массива, кадра) физических параметров двумерной поверхности образца, где Р - величина физического параметра в зависимости от координат Х и Y поверхности. Например, если величина Р есть высота Z поверхности, то Z(X,Y) -обыкновенное трехмерное изображение профиля поверхности.

Для измерения и контроля физических параметров в микроскопе используется зонд (1), имеющий обычно коническую или пирамидальную форму с чрезвычайно малым радиусом острия вершины (~100 нм). Радиус острия определяет пространственное разрешение микроскопа и обычно лежит в диапазоне от единиц до сотен нанометров. Каждый тип физических параметров поверхности подразумевает свою методику измерения и соответственно специфический зонд.

При использовании любого типа зонда микроскоп может получать кадр Z(X,Y). Эта функция обеспечивается механической системой позиционирования зонда относительно образца, называемой сканер (6+7+8). Сканер управляется электрически и имеет два режима позиционирования. Первый - дискретные шаги величиной порядка одного мкм вдоль любой из трех координат и непрерывное позиционирование. Сканер представляет собой полую пьезотрубку с электродами (6), сверху на трубку приклеена неподвижная сапфировая шайба (7), образец крепится на подвижную сапфировую шайбу (8). Перемещение происходит за счет скольжения сапфира по сапфиру.

За основу системы позиционирования зонда над образцом вдоль оси z (5) выбран пьезоэлектрический куб (27), который присоединен одной из боковых граней к неподвижному корпусу (26), к другой прикреплена направляющая (23). Между двумя направляющими (20, 23), скрепленными пружиной (21) размещен ползун (22). Перемещение ползуна происходит за счет скольжения сапфира по сапфиру: сапфировые пластинки прикреплены к направляющим и по сторонам ползуна, к верхней части ползуна присоединен держатель зонда (24). Более равномерное движение ползуна осуществляется за счет введения в конструкцию пластины прижима (25).

Сенсор поверхности камертонного типа (2) - это устройство, которое преобразует какой-либо физический параметр взаимодействия зонда с поверхностью образца (3) в электрический сигнал. Этот параметр должен изменять свою величину в зависимости от расстояния острия зонда до поверхности. Типичным примером такого параметра является сила давления зонда на поверхность. Характерный масштаб силы давления, не приводящий к разрушению зонда или поверхности, от 1 nN до 100 nN.

Принцип действия микроскопа состоит, в том, что изображение объекта строится по точкам, каждая из которых соответствует статистически усредненному отклику образца на возбуждающий лазерный луч. Величина зазора между зондом и поверхностью образца находится в пределах 1÷10 нм. Оптическая разрешающая способность такого микроскопа определяется размером острия зонда (апертурой) и составляет 30÷50 нм. Кроме оптического изображения, микроскоп может одновременно исследовать топографию поверхности объекта (AFM-мода).

Источником возбуждения является лазер. Излучение заводится в волокно (1) (фиг.1). Конец волокна заострен и на его поверхность нанесено отражающее покрытие - зонд. Для поддержания расстояния между зондом и поверхностью образца (3) используется сенсор поверхности камертонного типа (2), сигнал от которого проходит по кабелю (4) к системе обратной связи, управляющей системой позиционирования зонда над образцом вдоль оси z (5). Перемещение образца вдоль осей x, y осуществляется сканером: при подаче пилообразного сигнала система пьезотрубка (6) + неподвижная сапфировая шайба (7) + подвижная сапфировая шайба (8) + образец (3) сначала сдвигается на нужное расстояние, а затем при резком спаде напряжения шайба (7) и пьезотрубка возвращаются в начальное положение, а шайба 8 и образец сдвигаются.

Сигнал от образца принимается светосильным зеркальным объективом (9), прикрепленным к верхнему несущему фланцу (12), и передается по многомодовому световоду (10) к ФЭУ. Программа обработки изображения содержит большой набор функций, позволяющих убрать шумы, искажающие изображение.

Для получения низкой температуры микроскоп размещен на вставке в гелиевый криостат. Подвес вставки представляет собой 3 титановые трубки (11), микроскоп монтируется на нижний несущий фланец (13). Внутри криостата (фиг.2) находится гелиевый (14) и азотный (15) резервуары. Азотный резервуар служит для охлаждения теплового экрана (16). Жидкий хладагент подается через капилляр в нижнюю часть шахты (17) и испаряется на теплообменнике (18). Температура образца регулируется изменением потока газообразного гелия/азота и резистивным нагревателем (19) на теплообменнике. В температурном интервале 4,2-273 К образец находится в восходящем потоке гелия. Поток газа регулируется электромагнитным клапаном и дифференциальным регулятором давления, которые расположены в маностате (отдельный блок). Двухуровневая система регулировки потока газа и температуры теплообменника обеспечивает высокую точность поддержания температуры и низкий расход гелия. Температуры от 4,2 до 1,8 К достигаются откачкой паров гелия.

Электрические сигналы развертки для сканера и обработку сигнала с сенсора поверхности камертонного типа, регистрацию внешних сигналов, а также взаимодействие прибора с компьютером обеспечивает электронный блок управления микроскопом. Программа управления микроскопом написана для работы под операционной системой Windows. В связи со значительным изменением пьезоэлектрического коэффициента при перепаде температур 1,8-300 К программа состоит из двух частей: для комнатной и низкой температуры.

Результаты испытаний показали, что микроскоп обладает следующими основными параметрами:

- размер шага при сканировании: 0,01-2 мкм при 300 К, 10-400 нм при 4 К

- область сканирования: 40×40 мкм при 300 К, 15×15 мкм при 4 К

- максимальное перемещение: 5×5×5 мм

- оптическое разрешение ~ 50 нм

Таким образом, техническим результатом заявляемого сканирующего ближнепольного оптического микроскопа является функционирование в диапазоне температур 1,8-300 К с высокой чувствительностью, что стало возможным благодаря обеспечению в предложенной конструкции возбуждения образца через зонд и сбору отраженного излучения через светосильный зеркальный объектив, расположенных по одну сторону от образца.

1. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп, содержащий зонд, с прикрепленным сенсором поверхности камертонного типа, систему позиционирования зонда над образцом вдоль оси z, контролируемую системой обратной связи, сканер, перемещающий образец вдоль осей х и у, светосильный зеркальный объектив, расположенный в дальней зоне, и передающий собранное излучение по многомодовому световоду в ФЭУ, электронный блок управления микроскопом, снабженный программой, отличающийся тем, что микроскоп размещен на вставке в криостат, работающий в диапазоне температур от 1.8 до 300 К, причем вставка находится непосредственно в парах криогенного газа (гелия или азота), криостат снабжен резистивным нагревателем, расположенным на теплообменнике и термопарой, один из спаев которой расположен в гелиевом резервуаре, а другой - непосредственно около образца.

2. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп по п.1, отличающийся тем, что система позиционирования зонда над образцом вдоль оси z состоит из пьезокерамического куба, направляющих и ползуна, выполненного с возможностью перемещения между направляющими, к верхней части ползуна присоединен держатель зонда.

3. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп по п.1, отличающийся тем, что сканер представляет собой полую пьезотрубку с электродами, сверху на трубку приклеена неподвижная сапфировая шайба, образец крепится на подвижную сапфировую шайбу, свободно лежащую на неподвижной.

4. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп по п.1, отличающийся тем, что светосильный зеркальный объектив и зонд расположены по одну сторону от образца.