Исследование лазерного формирования комбинированных нанозондов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат технических наук Зыонг Ван Зунг Зыонг Ти Зунг

• Зыонг Ван Зунг Зыонг Ти Зунг
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зыонг Ван Зунг Зыонг Ти Зунг

Введение.

Глава 1 Сканирующая зондовая микроскопия (Обзор литературы).

1.1. Сканирующая туннельная микроскопия.

1.2. Электросиловая микроскопия.

1.3. Сканирующая электрохимическая микроскопия.

1.4. Сканирующий микроскоп на ионной проводимости.

1.5. Ближнепольная оптическая микроскопия.

1.6. Безапертурная Рамановская микроскопия.

1.7. Постановка задачи.

Глава 2 Лазерные установки для вытяжки нанозондов.

2.1. Историческое развитие метода вытяжки.

2.1.1. Пуллер Du Bois.

2.1.2 Пуллер Lingviston.

2.2. Принцип лазерной вытяжки зондов.

2.2.1. Лазерная вытяжка зондов: принцип и достоинства.

2.2.2. Технологические проблемы при лазерной вытяжке зондов.

2.3. Лазерная установка с фокусирующей линзой.

2.4. Лазерная установка с кольцевой оптикой.

2.4.1. Установка с использованием сферического зеркала.

2.4.2. Схемное решение для двусторонней вытяжки на основе тороидального зеркала.

2. 5. Лазерная установка с обратной связью.

2.6. Выводы.

Глава 3 Создание разных типов зондов.

3.1. БОЗ на основе оптического волокна (прямой и изогнутый).

3.1.1. Параметрические характеристики БОЗ.!.

3.2.2 Лазерная вытяжка БОЗ из кварцевого волокна.

3.3.3 Изогнутые зонды.

3.2. Стеклянные микро- и нано-пипетки.

3.2.1. Особенности формирования МП.

3.2.2. Исследование кинетики вытяжки МП.

3.3. Гибридный металло-стеклянный зонд.

3.3.1. Лазерная вытяжка металлостеклянных зондов.

3.3.2. Гибридный металлостеклянный зонд с выступающим металлическим острием.

3.3.3 Трехслойный БОЗ.

3.4. Математическое моделирование.

3.5. Выводы.

Глава 4. Контроль параметров апертуры БОЗ.

4.1 Аттестация параметров апертуры зондов с помощью электронного микроскопа.

4.2 Непосредственный анализ характеристик зонда в СЗМ по тест-объекту

4.3 Оптический метод контроля по распределению излучения зонда в дальнем поле.

4.3.1. Теоретическая концепция ближнепольной оптики для СБОМ

4.3.2 Описание экспериментальной установки и методики регистрации распределения в дальнем поле.

4.3.3. Результат измерения и обсуждение.

4.3.4. Оптический метод определения размера апертуры БОЗ.

4.4.Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование лазерного формирования комбинированных нанозондов»

Прогресс в познании строения вещества неразрывно связан с возможностью визуализации описывающих его параметров с максимально осуществимым пространственным и временным разрешением. Следующим шагом познания является попытка использования полученных знаний для построения новых функциональных структур (схем памяти, микропроцессов, излучателей, приемников и преобразователь света, звука, различных типов сенсоров, новых материалов) максимально возможной информационной мощности, улучшения качества производимых продуктов, создания новых технологий.

На каждом этапе развития существуют инструментальные и экономические ограничения выражающиеся, в конце концов, в уровне и качестве продукции на данном этапе развития цивилизации.

В настоящее время появилась техническая возможность сдвинуть ограничения на пространственное разрешение измерительных и исполнительных инструментов в нанометровую и субмикрометровую область размеров, что и создало предпосылки развития в направлениях нанотехнологии, молекулярной технологии, наноэлектроники, базирующих на возможности оперировать с веществом на уровне молекул, молекулярных кластеров и отдельных атомов.

Для развития субмикронной технологии и нанотехнологии требуется создание прецизионных контрольно - измерительных инструментов, которые могли бы как контролировать свойства функциональных элементов и сред, так и формировать и ремонтировать активные структуры. Потребность в таких средствах обеспечивают сканирующие зондовые микроскопы.

Сканирующие зондовые микроскопы это приборы для изучения свойств поверхности при помощи твердотельных заостренных зондов с разрешением, определяемым параметрами зонда, в процессе их взаимного перемещения по заданным алгоритмам.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии - технологии создания структур с нанометровыми масштабами.

Прошедшее десятилетие показало, что зондовые микроскопы нашли широкое применение в научных исследованиях в различных областях физики, химии, биологии, медицины и материаловедения. Зондовые микроскопы применяют в качестве контрольно-измерительной аппаратуры при производстве сложных интегральных схем и перспективных носителей информации (магнитные, магнитооптические и лазерные диски).

Одним из основных элементов, определяющих разрешение и качество СЗМ изображения, является зонд. Именно размер острия зонда определяет разрешение зондовых микроскопов. Зонды могут быть разны для различных видов СЗМ. Например, металлическое острие для туннельного, электросилового и Рамановского микроскопов. Кантилевер - балка в виде прямоугольного параллелепипеда или в виде двух балок, соединенных под некоторым углом, с зондом (острием) на одном из ее концов, для силовых микроскопов. Пипетка для микроскопов на ионной проводимости. Электрод - металлическое острие со стеклянной оболочкой для электрохимического микроскопа. Заостренное волокно с металлическим покрытием для ближнепольного оптического микроскопа и.т.д. Разработка лазерной технологии изготовления и исследование процесса формирования различных типов зондов и являются целей этой работы.

Лазерная технология изготовления острия (зонда) базируется на вытяжке заготовки - образца при тепловом нагреве, где лазерное излучение служит источником тепла. Метод тепловой вытяжки впервые применяется в начале 20-го века для изготовления микропипеток из стеклянных капилляров для применения в области физиологии. На первом этапе развития, в качестве источника тепла использованы газовое племя и нить накаливания. В настоящее время распространяется лазерная вытяжка, при которой можно добиться нужной температуры в короткое время, можно контролировать размер зоны нагрева, и.т.д.

Структурно диссертационная работа состоит из четырех глав, трех приложений, вводного и заключительного раздела, а так же списка использованной литературы.

В первой главе диссертационной работы проводится анализ литературы, описанный принцип работы различных типов ЗСМ и соответственно требование к используемым зондам. Также осуществляется постановка задачи изготовления различных типов зондов методом лазерной вытяжки.

Во второй главе рассматривается историческое развитие конструкции для вытяжки. Показан принцип метода лазерной вытяжки и его преимущество над другими. Разработан ряд оптических схем, реализующих равномерный нагрев образца на основе: 1) фокусирующей линзы; 2) сферического зеркала, осуществляющего фокусировку лазерного пучка под довольно острым углом к оси образца; 3) тороидального зеркала, фокусирующим луч под прямым углом к оси заготовки. Представлен расчет конструктивных параметров и фокусирующих свойств тороидального зеркала.

В третьей главе диссертационной работы проведен результат эксперимента. Разработана технология лазерной вытяжки для изготовления ряда различных зондов на основе стеклянного и кварцевого материалов. Это прямой и изогнутый БОЗ из кварцевого волокна, микропипетки из стеклянных капилляров, гибридный металлостеклянный зонд и трехслойный зонд. Разработана математическая модель процесса вытяжки зондов, учитывающая нестационарность лазерного нагрева и позволяющая проводить анализ влияния мощности излучения и растягивающей силы на параметры сформированных зондов.

В четвертой главе проведены методы аттестации качества зондов (размера и формы острия), в том числе традиционные методы -использование электронного микроскопа и косвенная аттестация острия на СЗМ путем сканирования тест-объектов. Реализован оптический метод аттестации БОЗ по распределению интенсивности в дальней зоне. При этом разработана методика измерения распределения с повышенным диапазоном освещенности, которая базируется на методе изофотометрии.

В приложении 1 приводится подробный алгоритм для численного решения математической модели процесса вытяжки зондов. Эта задача решена методом конечных разностей. При этом зона облучения разбивается на равные части так, что температура каждой части постоянна. Поглощение излучением и деформация каждой части рассматриваются через каждый постоянный интервал времени. Программа написана на программе MatLab 6.5.

В приложении 2 описана основа изофотометрии и ее применение для разработки метода измерения распределения интенсивности БОЗ с повышенным диапазоном освещенности, который основан на получении серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции, в форме совокупности фотометрических сечений, соответствующих различным уровням равной освещенности.

В приложении 3 приводятся электронно-микроскопические фотографии зондов и картинки, иллюстрирующие их применения для исследования топографии поверхностей твердого тела.

На защиту выносятся следующие оригинальные научные результаты

1. Основными параметрами, влияющими на форму и качество зондов при их механической вытяжке с лазерным нагревом, являются: не только плотность мощности лазерного излучения, распределение интенсивности излучения и размер зоны воздействия, а также закон изменения силы растяжения при вытяжке во времени.

2. Математическое описание процесса вытяжки, основанное на модели деформации вязких тел Ньютон с учетом зависимости вязкости rj(T) и реальность хода T{t) позволяет адекватно описать процесс вытяжки и проанализировать роль реальных технологических факторов на параметры зондов.

3. Распределение интенсивности в дальнем поле характеризует размер и форму апертуры ближнепольного зонда.

Практическая ценность данной работы заключается в следующем

1. Разработан действующий макет экспериментальной установки для изготовления нанозондов различных типов, который может служить прототипом автоматизированной промышленной установки.

2. Разработана лазерная технология изготовления гибридных металло-стеклянных и трехслойных зондов, которые могут использоваться во многих видах СЗМ.

3. Предложен метод аттестации ближнепольных зондов по распределению дальнего светового поля.

4. Разработка бизнес - плана коммерческих технологий лазерной вытяжки ближнепольных оптических зондов.

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Зыонг Ван Зунг Зыонг Ти Зунг

Основные результаты и перспективы развития данной работы:

1. Разработана экспериментальная установка для формирования нанозондов из кварцевых волокон и стеклянных капилляров на базе теплового нагрева СОг-лазера и механической вытяжки гравитационным, упругим и электромагнитным способами.

2. Основными параметрами, определяющими качество нанозондов и их форму, являются равномерность зоны лазерного воздействия и ее размеры. Предложены оптические схемы на основе тороидального зеркала для формирования кольцевой зоны нагрева образцов, обеспечивающие их высокое качество и воспроизводимость параметров. Установлена обратная связь по методу контроля удлинения зондов для улучшения их качества. Представлен расчет конструктивных параметров и фокусирующих свойств тороидального зеркала.

3. Проведено исследование кинетики формообразования с помощью видеосъемки. Выявлены основные стадии процесса вытяжки нанозондов. Разработана технология лазерной вытяжки зондов разных типов, особенно гибридных металло-стеклянных и трехслойных зондов.

4. Разработана математическая модель процесса вытяжки зондов, учитывающая нестационарность лазерного нагрева и позволяющая проводить анализ влияния мощности излучения и растягивающей силы на параметры сформированных зондов.

5. Разработана методика измерения распределения интенсивности излучения БОЗ в дальней зоне. Написана программа управления ПЗС матрицей на основе метода изофотометрии для расширения ее диапазона регистрируемых освещенностей. При этом перепад регистрируемой интенсивности повышается от 102 до 103-104.

6. Реализован оптический метод определения размера БОЗ. Распределение интенсивности излучения зонда в дальней зоне, регистрированное новой методикой, содержит большое количество информации, достаточное для восстановления светового поля в апертуре.

7. Использовано заостренное волокно в качестве зонда СЗМ NanoEducator для сканирования тест-объектов с целью контроля параметров острия по получаемым изображениям.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зыонг Ван Зунг Зыонг Ти Зунг, 2007 год

1. G.Binnig, H.Rohrer Scanning tunneling microscopy. // Helv. Phys. Acta, v. 55, №6,p. 726-735(1982).

2. G.Binnig, H.Rohrer, Ch.Gerber, E.Weibel Tunneling through a controllable vacuum gap. // Appl. Phys. Lett., v. 40, p. 178 (1982).

3. H.K. Wichramasinghe., "Progress in scanning probe microscopy", Acta materiala, 48, p. 347-358 (2000).

4. B.JI. Миронов, «Основы сканирующей зондовой микроскопии», РАН, Институт физики микроструктур, 2004г

5. Д.И. Блохинцев., «Основы квантовой механики», Москва, «Наука», 1983 г.

6. Л.Д. Ландау, Е.М Лифшиц., «Теоретическая физика том 3 Квантовая механика», М.: «Физматлит», 2001, 804 с.

7. J.G. Simons., "Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film". J. Appl. Phys., 34,1793 (1963).

8. J.G. Simons., "Electric tunnel effect between dissimilar electrodes separated by thin insulating film", J. Appl. Phys., 34, 2581 (1963).

9. Paul Girard, "Electrostatic force microscopy: principles and some application to semiconductors", Nanotechnology 12 (2001), 485-490.

10. J.R. Matey, J.Blanc,. "Scanning capacitance microscopy", J. Appl. Phys., v. 57, №5, p. 1437-1444(1985)

11. M. Nonnenmacher, M.P. O'Boyley, H.K. Wikramashinghe., "Keivin probe force microscopy", Appl. Phys. Lett., 58 (25), 2921-2923 (1991)

12. B. Stiller, P.Karageorgiev, et al "Scanning Kelvil microscopy as a tool for visualization of optically induced molecular switching in azobenzene self assembling films". Surf. Interface Anal. 30, 549-551, (2000)

13. B. Ballesteros Katemann, A. Schulte, W. Schuhmann. "Constant Distance Mode Scanning Electrochemical Microscopy Part I: Adaptation of non-opticalshear-force based positioning mode for SECM tips", Che. Eur. J. 9 (2003) 2025 -2033.

14. Andrew I. Shevchuk et al «Simultaneous Measurement of Ca2+ and Cellular Dynamics: combined Scanning Ion Conductance and Optical Microscopy to Study Contracting Cardiac Myocytes». Biophysical Journal, V 81, September 2001, p 1759-1764

15. Yuri E. Korchev, C. Lindsay Bashford, Mihailo Milovanivic, Igor Vodyanoy, and Max J. Lab, "Scanning ion Conductance Microscopy of Living Cells", Biophysical Journal, Vol. 73, (August 1997), 653-658.

16. Synge E.H., Philos. Mag. (1928) 6,356.

17. D.W. Pohl, W. Denk, M. Lanz., "Optical spectroscopy: image recording with resolution A/20", Appl. Phys. Lett., v. 44, p. 651-653 (1984).

18. U. Durig, D.W. Pohl, F. Rohrer., "Near field optical scanning microscopy", J. Appl. Phys. 59 (10)3318-3327, 1986.

19. Khaled Karrai, Robert D. Grober, "Piezoelectric tip-distance control for near field optical microscopes", Appl. Phys. Lett. 66(14), 3 April 1995, 1842 1844.

20. P.K. Wei, W.S. Fann., "The probe dynamics under shear force in near-field scanning optical microscopy", J. Appl. Phys., v. 83, №7, p. 3461-3468 (1998).

21. D.G. Volgunov, A.V. Buryukov, S.V. Gaponov, V.L. Mironov., "Probe-surface interaction in the piezo-resonator 'shear force' microscope", Physics of Low-Dimensional Structures, № 3/4, p. 17-23 (2001).

22. D. Couijon, C. Bainier., "Near field microscopy and near field optics", Rep. Prog. Phys. 57, p. 989- 1028 (2001).

23. Jahnckle C.L., et al,Appl. Phys. Lett. (1995) 67 (17), 2483.

24. Stockle.S.M et al, Chem. Phys. Lett. (1995) 67 (17), 2483

25. Nie S., and Emory S. S, Science (1997) 275, 1102.

26. Kerker M, et al. Appl. Opt. (1980), 19 (19), 3373.

27. Brown K.T., Flaming D.G. «Advanced micropipette techniques for cell physiology». Department of Physiology University of California, 1995.

28. Ю. И. Посудин, «Биофизик Сергей Чахотин», Киев: Изд-во Нац. Аграрного ун-та, 1995. 98 с.

29. Du Bois D. A machine for pulling glass micropipettes and needles//Science. 1931.-Vol. 73. P.344-345

30. Livingston L.G., Duggar B.M. Experimental procedures in a study of the location and concentration within the host cell of the virus of tobacco mosaic// Biol. Bull.1934.-Vol. 67. P.504-512

31. V.P. Veiko, N.B. Voznesensky, Y.M. Voronin, N.N. Voznesenskya, N.N. Markovkina, V.A. Chuiko, «Laser-based micropipettes: design, technology and applications» SPIE, 4157, p. 174 -182, 2000.

32. Kalachev A.I., Smirnov I.B., Veiko V.P. et al. Pecularities of laser-assisted drawing-out processing of optical probes for SNOM. Proc. SPIE. V. 3822, pp. 199-206. (1999).

33. Atlasov K.A., Kalachev A.I., Yakovlev E.B., Veiko V.P. Laser technology of shaping the near-field optical probes with submicron scale tip. Proc. SPIE, Vol. 4157, 2000, p. 166-173

34. K.A. Atlasov, V.P. Veiko, A.I. Kalachev " Technology Optimization of the Laser Assisted SNOM - Tips Stretching ".Proceedings of SPIE, V. 5399, p.63-68,2003

35. Арсланов Наркис Мусавирович, «Нанооптика ближнеполевой микроскопии: эффекты распространения светового поля в сужающемся субволновом зонде», автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Казань 2006.

36. L.Novotny, D.W. Pohl, В. Hecht, Scanning Near-Field Optical Probe with Ultrasmall Spot Size., Optics Letters., Vol. 20., No. 9., May 1., 1995., 970-972.

37. E. Betzig and J. K. Trautman, Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit,\\ Science, 257, pp. 189185,1992.

38. Дряхлушин В.Ф., Климов А.Ю., Рогов B.B., Филатов Д.О., Зонды для сканирующего ближнепольного микроскопа.\\ Сборник материалов всероссийского совещания «Зондовая микроскопия-99», Н.Новгород, 10-13 марта 1999г. С.121-124.44. М. Борн, «Основы оптики».

39. Н. Bethe, "Theory of Diffraction by Small Holes", Phys. Rev. 66. 163. (1944).

40. C.J Bouwkamp, "On Bethe's Theory of Diffraction by Small Holes", Philips Res. Rep. 5. 321-332.(1950).

41. DV Labeke, D. Barchiesi, F. Baida, ""Optical characterization of nanosources used in scanning near-field optical microscopy" J. Opt. Soc. Am. A, 12, 695-703 (1995)

42. G.A.Valaskovic, M.Holton,and G.H.Morrison, Parameter Control, Characterization, and Optimization in the Fabrication of Optical Fiber Near-Field Probes, Applied Optics., Vol. 34, No. 7, March 1, 1995, 1215-1228.

43. Yatsui, Kourogi M, Tsutsui K, Ohtsu M. Enhancing throughput over 100 times by a triple-tapered structure for near-field optical probe.W Proc.SPIE,1998, v.3467, pp.89-98.

44. Жданов Г.С. Влияние формы и шероховатости острия на эффективность освещения образца в ближнем поле.\\ Поверхность, 1999, н.7, С.91-94.

45. Yinli Li, Shifa Wu, Pengfei Li, Jian Zhang, Shi Pan, "Tapping mode atomic force microscope combined with reflection scanning near-field optical microscope (AF/RSNOM)", Optics Communications Volume 258, Issue 2, p. 275-279 (2006)

46. Чизмаджев Ю.А. «Как сливаются биологические мембраны» Соровский Образовательный Журнал. 2001. T.7.N 5.С.4-9

47. Julia Gorelik, Yuchun Gu et al, "Ion Channels in Small Cells and Subcellular Structures Can Be Studied with a Smart Patch-Clamp System", Biophysical Journal, Vol. 83, December 2002, 3296-3303.

48. Roger Proksch, Ratnesh Lai, Paul K. Hansma, Dan Morse, and Galen Stucky, "Imaging the Internal and External Pore Structure of Membranes in Fluid: Tapping Miode Scanning Ion Conductance Microscopy", Biophysical Journal, Vol. 71, October 1996, 2155-2157.

49. L.Novotny, A.Hartschun, M.Anderson, "Near-field Raman spectroscopy using a sharp metal tip". Journal of Microscopy, Vol. 210, Pt 3 June 2003, pp. 234-240.

50. Hartschuh A., et al., "High-Resolution Near-Field Raman microscopy of single-walled carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett (2003) 90(9), 095503.

51. Yuanhua Shao, Michael V. Mirkin, Galina Fish, Sofia Kokotov, Daniel Palanker, and Aaron Lewis. "Nanometer-Sized Electrochemical Sensors". Anal. Chem. 1997,69,1627-1634.

52. Raoul Stockle, Christian Fokas, Beate Sick, High-quality near-field optical probes by tube etching, Appl.Phys.Lett.,Vol.75, No.2,12 July 1999.

53. Атласов K.A., Вейко В.П., Калачев А.И., Капорский JI.H., Яковлев Е.Б. «Экспериментальные и теоретические исследования процесса лазерной вытяжки оптических ближнепольных зондов». Известия РАН. Сер. физическая, 2001, том 65, №6, с. 941 945.

54. Мазурин О.В, Стрельцина М.В, Швайко-Швайковская Т.П. «Свойства стекол и стеклообразующих расплавов» справочник том 3. Наука, Ленингр. отд. 1977. 586 стр.

55. S. Hosaka, Т. Shintani, A. Kikukawa & К. Iton, "Evaluation of nano-optical probe from scanning near-field optical microscope images", Journal of Microscopy, Vol. 194, pt 2/3, pp. 369-373 (1999)

56. A. P. Chuklanov, A. A. Bukharaev, and P.A. Borodin, "Tip-Shape Reconstruction for a Laterally Vibrating SPM Probe", Russian Microelectronics, Vol. 34, No. 5,2005, pp.309-315

57. Christian Obermuller, Khaled Karrai. Far field characterization if diffracting circular apertures // Appl. Phys. Lett. December 1995, 67 (23), p. 3408-3410.

58. Вейко В. П, Вознесенский Н. Б, Гусев А. Е, Иванова Т. В, Родионов С. А, «Возможность определения параметров субдлинноволновых вторичных источников света по характеристикам дальнего поля», Оптический журнал, 1998. Том 65, № 10. С. 49-53.

59. Иванова Т. В., «Разработка математических методов моделирования и восстановления характеристик субдлинноволновых вторичных источников света», диссертация кандидата тех. наук., ИТМО 1999.

60. Зверев В.А., Кирилловский В.К., Сокольский М.Н. Исследование качества изображения оптических систем методом изофотометрической фоторегистрации. ОМП, N8, 1976

61. D. J. Shin, A. Chavez-Pirson, S. Н. Kim, S. Т. Jung, and Y. Н. Lee, "Diffraction by a subwavelength-sized aperture in a metal plane", J. Opt. Sco. Am. A., Vol. 18, No 7, July 2001.

62. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л. Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М. Машиностроение. 1987 г

63. Кирилловский В.К. Оптические измерения Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик. СПб ГУ ИТМО. СПб., 2005.

64. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л. Машиностроение. 1984 г.