Методы и приборы для исследования фотонных кристаллов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра ОИТ

Курсовая работа по дисциплине «фотонные кристаллы»

«Методы и приборы для исследования фотонных кристаллов»

Факультет: ФТФ

Группа: ФФ-01

Студент: Буланкин М.

Преподаватель: Пен Е. Ф.

Новосибирск 2012



Оглавление

Введение

Электронная микроскопия

Конфокальная микроскопия

Атомно-силовая микроскопия

Спектроскопия

Заключение

Используемые ресурсы



Введение

Фотонные кристаллы (photonic crystals) - материалы с упорядоченной структурой, характеризующейся строго периодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Это интенсивно развивающееся направление физики твердого тела связано с возможностью создания светодиодов с высоким КПД, новых типов лазеров с низким порогом генерации, световых волноводов, оптических переключателей, фильтров, а также устройств цифровой вычислительной техники на основе фотоники. В общем случае, фотонный кристалл - это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления. Известно, что кристаллы всех типов могут рассеивать некоторое излучение при условии, что параметры решетки кристалла имеют тот же порядок, что и длина волны излучения. Аналогичным образом, будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла. Эти спектральные диапазоны получили название “фотонные запрещенные зоны” (photonic band gap, PBG)

В связи с наличием непростой структуры, множества характеристик, а так же присутствием дефектов в фотонном кристалле, существует необходимость изучать его свойства различными методами. Существует несколько таких методов для изучения, а именно: электронная микроскопия, конфокальная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, спектроскопия.

Рассмотрим подробнее эти методы.



Электронная микроскопия

Электронная микроскопия - позволяет с помощью электронного микроскопа исследовать микроструктуру тел при увеличениях до многих сотен тысяч раз (вплоть до атомно-молекулярного уровня), изучить их локальный состав и локализованные на поверхностях или в микрообъёмах тел электрические и магнитные поля (микрополя). Кроме этого, электронная микроскопия - это самостоятельное научное течение, направленное на:

v Усовершенствование и разработку новых электронных микроскопов и других корпускулярных микроскопов (например, протонного микроскопа) и приставок к ним;

v Разработку методик препарирования образцов, исследуемых в электронных микроскопах;

v Изучение механизмов формирования электронно-оптических изображений;

v Разработку способов анализа разнообразной информации (не только изображений), получаемой с помощью электронных микроскопов.

К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Несмотря на огромные плюсы, которые она имеет, существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым следует отнести, в первую очередь:

Ш Необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения,

Ш Отсутствие возможности просмотра больших образцов,

Ш Достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.

Электронный микроскоп -- прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10⁶ раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока пучка электронов с энергиями 200 В ч 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ). Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000 ч 10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля; широко применяется в научных исследованиях строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела (исследование фотонных кристаллов) и др.

Существует три основных вида электронных микроскопов:

· Обычный просвечивающий электронный микроскоп; ОПЭМ (появился в 1930-х годах)

· Растровый (сканирующий) электронный микроскоп; РЭМ, рис 1 (1950-е годы)

· Растровый туннельный микроскоп; РТМ, рис 2 (1980-е годы)

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое - оптическими линзами. Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной «броней» из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10-100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.



Рис 1 Рис 2

Конфокальная микроскопия

Конфокальная микроскопия -- один из методов оптической микроскопии, обладающий значительным контрастом по сравнению с микроскопами классической схемы за счет использования диафрагмы, отсекающей поток фонового рассеянного света. В конфокальном микроскопе в каждый момент времени регистрируется изображение одной точки объекта, а полноценное изображение строится путем сканирования (движения образца или перестройки оптической системы). Для того, чтобы регистрировать свет только от одной точки после объективной линзы располагается диафрагма малого размера таким образом, что свет, испускаемый анализируемой точкой, проходит через диафрагму и будет зарегистрирован, а свет от остальных точек в основном задерживается диафрагмой.

Конфокальный микроскоп -- оптический микроскоп, обладающий значительным контрастом по сравнению с обычным микроскопом, что достигается использованием апертуры, размещённой в плоскости изображения и ограничивающей поток фонового рассеянного света.

Схема конфокального микроскопа. Рассеянный свет, идущий из глубины образца (пунктирные линии синего цвета), отрезаются апертурами, что обеспечивает высокий контраст изображения

Уменьшение отверстия в диафрагме приводит к уменьшению толщины оптического слоя, что повышает контрастность изображения, однако при этом падает его яркость, что требует использования высокочувствительных регистрирующих систем и в процессе исследования заставляет идти на компромисс между яркостью и контрастом получаемого изображения.

Конфокальный микроскоп имеет разрешение такое же как и обычный микроскоп и ограничено оно дифракционным пределом , где - длинна волны излучения; (NA) = n_*sin б - числовая апертура объектива; n - показатель приломления среды между образцом и объектом; б - половина угла, который «захватывает» объектив. В видимом диапазоне разрешение составляет _~ 250 нм (NA=1,45, n=1,51) Однако, в последние годы успешно развиваются схемы микроскопов, которые используют нелинейные свойства флуоресценции образцов. В этом случае достигается разрешение значительно меньшее дифракционного предела и составляет _~ 3--10 нм

Конфокальный микроскоп создаёт чёткое изображение образца, которое при использовании обычного микроскопа представляется размытым. Это достигается путем отрезания апертурой фонового света идущего из глубины образца, то есть того света, который не попадает на фокальную плоскость объектива микроскопа. В результате изображение получается с контрастом лучшим, чем в обычном оптическом микроскопе.

Наиболее часто встречающейся задачей для конфокальной микроскопии, благодаря ее высокому разрешению и контрасту, является изучение структуры клеток и их органелл, например, цитоскелета, ЭПР, лизосом, митохондрий, ядра, хромосом и даже генов. Исследуется также колокализация в клетке двух и более веществ. Еще одна задача - исследование динамических процессов, происходящих в живых клетках. Например, клеточного транспорта биологически-активных соединений, изменений концентрации и распределения ионов кальция. Записав в памяти компьютера серию оптических срезов, можно провести объемную реконструкцию объекта и получить его трехмерное изображение, не используя трудоемкую методику изготовления и фотографирования серийных гистологических срезов.

Новыми перспективными направлениями являются методики FRAP - Восстановление флуоресценции после фотовыжигания (Fluorescence Recovery After Photobleaching) и FRET - Передача энергии посредством флуоресцентного резонанса (Fluorescence Resonance Energy Transfer).

Ниже для наглядности и сравнения приведены схемы установок классического оптического и конфокального микроскопов.

Рис 1



Рис 2

Современный конфокальный микроскоп



Атомно-силовая микроскопия

Атомно-силовая микроскопия -- один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на Ван-дер-Ваальсовских взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших - силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе в качестве зонда используется игла с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере, который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам - пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.



фотонный кристалл микроскоп атомный

Кантилевер (от англ. cantilever - консоль, балка) -- одна из основных составных частей сканирующего зондового микроскопа представляет собой массивное прямоугольное основание, размерами примерно 1,5Ч3,5Ч0,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. На нижнем конце кантилевера располагается игла, взаимодействующая с образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5--90 нм, лабораторных -- от 1 нм.

Верхняя сторона кантилевера над иглой является зеркальной для отражения лазерного луча. В некоторых случаях для улучшения отражающей способности кантилевера на него напыляют тонкий слой алюминия. По своей структуре кантилевер чаще всего представляет собой монокристалл кремния или нитрида кремния. Игла также может быть из кремния, нитрида кремния или алмаза.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM -- atomic-force microscope) -- сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания.

В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют три режима работы атомно-силового микроскопа:

1. Контактный (англ. contact mode)

2. «Полуконтактный» (англ. semi-contact mode или tapping mode)

3. Бесконтактный (англ. non-contact mode)

Здесь необходимо пояснить, что именно берётся за ноль расстояния во избежание путаницы. На приведённом рисунке ноль соответствует нулевому расстоянию между ядрами атома на поверхности и наиболее выступающего атома кантилевера. Поэтому ноль силы находится на конечном расстоянии, соответствующем границе электронных оболочек этих атомов (при перекрытии оболочек возникает отталкивание). Если взять за ноль границы атомов, то сила обратится в ноль в нуле расстояния.



График зависимости силы Ван-дер-Ваальса от расстояния между кантилевером и поверхностью образца

Схема работы атомно-силового микроскопа

Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в контактном режиме атомно-силовой микроскоп является аналогом профилометра. Остриё кантилевера находится в непосредственном контакте между образцом и поверхностью. Сканирование осуществляется, как правило, в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем возможно применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли ДZ,пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Достоинства метода:

v Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость

v Наибольшая достижимая скорость сканирования

v Является единственным методом АСМ, позволяющим достичь атомарного разрешения

v Обеспечивает наилучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа

Недостатки метода:

Ш Наличие артефактов, связанных с наличием латеральных сил, воздействующих на зонд со стороны поверхности

Ш При сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности

Ш Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)



Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения. Система обратной связи, как правило, поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записывается. Однако возможно установление обратной связи путём поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний.

Достоинства метода:

v Отсутствует воздействие зонда на исследуемую поверхность

Недостатки метода:

Ш Крайне чувствителен ко всем внешним шумам

Ш Наименьшее латеральное разрешение

Ш Наименьшая скорость сканирования

Ш Функционирует лишь в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбированный на поверхности слой воды

Ш Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования "уходят"

В связи с множеством сложностей и недостатков метода, его приложения в АСМ крайне ограничены.

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в полуконтактном режиме также возбуждаются колебания кантилевера. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер касается поверхности образца. Такой метод является промежуточным между полным контактом и полным бесконтактом.

Достоинства метода:

v Наиболее универсальный из методов АСМ, позволяющий на большинстве исследуемых образцов получать разрешение 1-5 нм

v Латеральные силы, действующие на зонд со стороны поверхности, устранены - упрощает интерпретацию получаемых изображений

Недостатки метода:

Ш Максимальная скорость сканирования меньше, чем в контактном режиме

Современный атомно-силовой микроскоп



Спектроскопия

Спектроскопия -- разделы физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии -- для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, то есть методами спектрометрии. К существенным преимуществам спектроскопии можно отнести возможность диагностики непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии.

Данный метод очень удобен для изучения спектров прохождения, поглощения и отражения фотонных кристаллов.

По типу излучения, которое используется в спектроскопии для возбуждения взаимодействия, а также по типу регистрируемого излучения, её можно разделить на:

· Оптическую спектроскопию

· Рентгеновскую спектроскопию

· Фотоэлектронную спектроскопию

· Мёссбауэровскую спектроскопию

· Масс-спектроскопию

· Спектроскопию с использованием радиоизлучения

Оптический спектрометр (спектроскоп, спектрограф, спектрофотометр) - оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения. Используется для быстрого качественного спектрального анализа веществ в химии, металлургии (например, стилоскоп) и т. д. Разложение излучения в спектр осуществляется, например, оптической призмой. С помощью флуоресцентного окуляра визуально наблюдают ультрафиолетовый спектр, с помощью электронно-оптического преобразователя -- ближнюю инфракрасную область спектра.

Пример установки спектрометра (Диапазон -- 4000 -- 630 см^-1 (кристалл - ZnSe))

Один и тот же спектр можно представить по разному



Заключение

В моей курсовой работе были рассмотрены основные методы и приборы для получения качественных характеристик фотонных кристаллов. Хочется отметить, что данные методы имеют широкий спектр применения в других областях науки, имеющих схожие цели в проведении исследований. Поскольку изучение фотонных кристаллов, является перспективным и относительно молодым направлением в науке - эти технологии бурно развиваются и модернизируются, и уже сейчас обладают хорошими показателями, т.к. на сегодняшний день фотонные кристаллы обладают большим потенциалом и широким кругом применения.



Используемые ресурсы

Ш http://www.mikroskopia.ru

Ш http://ru.wikipedia.org

Ш http://www.ckpgene.ru/left/konfokal_naya_mikroskopiya

Ш http://www.ckpgene.ru/left/atomno-silovaya_mikroskopiya

Ш http://www.nanoscopy.org/tutorial/Afm/afm.htm

Размещено на Allbest.ru

...