Способ регистрации отклонения консоли зонда сканирующего микроскопа с оптическим объективом

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к способам измерения отклонения консоли зонда сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), оснащенного оптическим объективом для наблюдения исследуемой области образца. Формирование луча от источника света, направление его через оптический объектив на отражающую поверхность консоли зонда, получение с использованием оптического объектива светового пятна на чувствительной поверхности многосегментного фотоприемника и регистрация изменения положения светового пятна по чувствительной поверхности фотоприемника. За источником света расположена длиннофокусная линза с изменяемым фокусным расстоянием и светоделитель. Расходимость луча формируют таким образом, чтобы этот луч, проходя через оптический объектив, фокусировался (образовывал каустику) над отражающей поверхностью консоли зонда. Технический результат - повышение чувствительности системы регистрации отклонения зонда СЗМ. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к способам измерения отклонения консоли зонда сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), оснащенного оптическим объективом для наблюдения исследуемой области образца.

Известен способ регистрации отклонения консоли зонда, осуществляемый с помощью источника луча света, объектива для фокусировки света на отражающий объект - консоль зонда СЗМ и фотоприемника, вырабатывающего сигнал при отклонении консоли зонда и состоящего из нескольких (не менее трех) фоточувствительных сегментов, сигнал которых обрабатывается электронными устройствами [1]. Способ основан на помещении нескольких перемещаемых, удаляемых или сменяемых линз на пути падающего луча, предназначенных для изменения размера пятна падающего луча для того, чтобы изменять размер пятна сфокусированного света на упомянутом отражающем объекте и помещении нескольких перемещаемых, удаляемых или сменяемых специальных средств (специальные маски) для регулировки мощности, размера и формы падающего луча.

Указанный способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.

Основной недостаток прототипа заключается в том, что при использовании объективов с малым фокусным расстоянием труднореализуемо создание пучка от источника света с апертурой столь малой, чтобы обеспечить теоретически достижимой чувствительность при использовании зондов с типичной длиной консоли (50-300 мкм). Таким образом реализуемая на практике чувствительность далека от теоретически возможной.

Второй недостаток этого способа заключается в том, что без создания специальной расходимости лазерного луча фокусировка на отражающей поверхности консоли зонда затрудняет наблюдение исследуемого объекта с помощью того же объектива. Настройка объектива на исследуемый объект приводит к расфокусировке системы регистрации, организованной согласно прототипу, и увеличению размера пятна света на чувствительной поверхности фотоприемника, что приводит к снижению чувствительности системы. Этот эффект сказывается особенно сильно при использовании объективов с большой числовой апертурой, обладающих малой глубиной резкости.

Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности системы регистрации отклонения зонда СЗМ.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе регистрации отклонения консоли зонда сканирующего микроскопа с оптическим объективом, включающим формирование луча от источника света, направление его через оптический объектив на отражающую поверхность консоли зонда, получение с использованием оптического объектива светового пятна на чувствительной поверхности многосегментного фотоприемника и регистрацию изменения положения светового пятна по чувствительной поверхности для определения отклонения консоли зонда по этому изменению, оптический объектив настраивают на образец, а расходимость лазерного луча формируют таким образом, чтобы этот луч, проходя через объектив, фокусировался (образовывал каустику) над отражающей поверхностью зонда.

Максимальная чувствительность достигается тем, что при фокусировке света от источника по предлагаемому способу можно использовать для регистрации отклонения консоли необходимую длину отражающей поверхности независимо от размера каустики луча.

Один из вариантов способа регистрации отклонения консоли зонда заключается в том, что каустика луча расположена над отражающей поверхностью консоли зонда на расстоянии, равном расстоянию от этой поверхности до плоскости предмета объектива.

Существует также вариант способа регистрации отклонения консоли зонда, заключающийся в том, что каустика луча расположена над отражающей поверхностью консоли зонда на расстоянии, большем расстояния от этой поверхности до плоскости предмета объектива, при этом оно выбирается таким образом, чтобы действительное изображение каустики строилось на чувствительной поверхности фотоприемника.

Третий вариант способа регистрации отклонения консоли зонда заключается в том, что луч входит во входной зрачок объектива параллельно оси объектива, но со смещением, таким, что луч, выходящий из объектива падает на отражающую поверхность консоли зонда под прямым углом к этой поверхности.

Четвертый вариант способа регистрации отклонения консоли зонда заключается в том, что разделение лучей, падающего и отраженного, производится за счет вращения их поляризации, приводящей к повороту поляризации луча на 90° после двух проходов.

Пятый вариант способа регистрации отклонения консоли зонда заключается в том, что при использовании лазеров с различной расходимостью лазерного луча в двух направлениях, лазер ориентируется таким образом, чтобы лазерное пятно, падающего на отражающую поверхность консоли зонда было вытянуто вдоль консоли.

На фиг.1. изображена оптическая схема реализации способа регистрации отклонения зонда, где разделение луча падающего и отраженного осуществляется специальным светоделителем.

На фиг.2. изображена оптическая схема реализации способа регистрации отклонения зонда, где светоделетель представляет собой поляризационную призму.

На фиг.3 и 4 представлены возможные положения каустики.

Оптическая схема реализации способа регистрации отклонения консоли зонда содержит оптически сопряженные и последовательно расположенные источник света 1, длиннофокусную линзу 2 с изменяемым фокусным расстоянием, светоделитель 3, оптический объектив 4, а также отражающую поверхность 5 консоли 6. Консоль 6 закреплена на плате 7 и содержит острие 8, расположенное с возможностью взаимодействия с образцом 10. Элементы 6, 7 и 8 представляют собой зонд СЗМ 9. По оси объектива 4 установлен также многосегментный фотоприемник 11 с чувствительной поверхностью. Элементы 1, 2, 3, 4 и 11 представляют собой систему регистрации. Каустика 12 (точка фокусировки луча света) 4 расположена над отражающей поверхностью 5 консоли зонда 6. Объектив 4 и фотоприемник 11 снабжены котировочными механизмами (не показаны).

Источником света 1 может служить лазер, сверхизлучательный диод или иное оптическое устройство. Линза 2 может состоять из одного или нескольких оптических элементов, может быть снабжена механическими устройствами для регулировки ее положения и фокусного расстояния (не показаны). В качестве светоделителя 3 можно использовать полупрозрачное зеркало 13. Более подробно элементы СЗМ см. в [2, 3].

Во втором варианте, фиг.2, в качестве светоделителя 3 может использоваться поляризационная призма 14 с четверть волновой пластинкой 15.

Способ регистрации отклонения консоли зонда производят следующим образом. Оптический объектив 4 настраивают на отражающую поверхность 5 консоли 6 зонда 9, формируя ее резкое изображение. После этого объектив 4 смещают в направлении образца 10 на расстояние, равное расстоянию между отражающей поверхностью 5 и острием 8. Далее луч от источника света 1 направляют на отражающую поверхность 5 консоли 6. Луч, отраженный от консоли 6, коллимируется, вторично проходя через объектив 4. Положение фотоприемника 11 подстраивают для регистрации луча, отраженного от консоли 6 зонда 9. Электрический сигнал с фотоприемника 11 обрабатывается специальной электронной схемой для получения сигнала смещения пятна света по поверхности фотоприемника 11. Подробнее работу сканирующего зондового микроскопа см. [2, 3]. Настройкой линзы 2 добиваются того, чтобы луч от источника 1 фокусировался в каустику 12 над отражающей поверхностью 5 консоли 6. Такая настройка может контролироваться с помощью внешнего оптического микроскопа либо по размеру пятна на фотоприемнике 11. Зонд 9 подводят к поверхности образца 10 методом, стандартным для избранного режима работы СЗМ. Это может осуществляться как перемещением образца 10, так и совместным перемещением зонда и всей системы регистрации, включая объектив 4. При этом поверхность образца 10 и острие 8 оказываются в плоскости предметов объектива 4, что контролируется по резкости изображения поверхности образца 10. При необходимости окончательная фокусировка объектива 4 на поверхность образца 10 осуществляется для достижения резкого изображения образца при подведенном зонде 9.

Существует вариант реализации способа, при котором фокусировка луча осуществляется так, что мнимое изображение каустики 16 (фиг.3) располагается в плоскости предмета 17 объектива 4. При зеркальном отражении от поверхности 5 консоли 6 расстояние А от каустики 12 до поверхности 5 равно расстоянию Б от этой поверхности до мнимого изображения каустики 16. Расстояние А между отражающей поверхностью 5 и каустикой 12 должно быть в этом случае равно расстоянию между поверхностью 5 и кончиком острия 8. Линза 2 настраивается в этом случае на достижение минимальной расходимости луча на выходе объектива 4.

Существует также вариант, при котором фокусировка луча осуществлена так, что мнимое изображение каустики 18 (фиг.4), построенное поверхностью 5 консоли 6, располагается дальше плоскости предмета 17 объектива 4. При зеркальном отражении от поверхности 5 консоли 6 расстояние А от каустики 12 до поверхности 5 равно расстоянию Б от этой поверхности до мнимого изображения каустики 18. Расстояние А между отражающей поверхностью 5 и каустикой 12 должно быть в этом случае больше расстояния В между поверхностью 5 и кончиком острия 8. Линза 2 настраивается в этом случае по получению пятна на фоточувствительной поверхности фотоприемника 11 минимального размера.

Существует также вариант, при котором луч 1 входит во входной зрачок объектива 4 параллельно оси объектива, но со смещением таким, что луч, выходящий из переднего мениска объектива 4, падает на отражающую поверхность 5 консоли 6 под прямым углом к этой поверхности. Этот вариант изображен на фиг.1 и наиболее часто используется. Осевое расположение луча также возможно, но ограничивается конкретным конструктивным исполнением.

Существует также вариант, при котором разделение лучей, падающего и отраженного, производится за счет введения в луч четвертьволновой пластинки 15, приводящей к повороту поляризации луча на 90 градусов после двух проходов (фиг.2).

Существует также вариант, основанный на использовании лазера 1 с различной расходимостью лазерного луча в двух направлениях (полупроводниковый лазер). В этом случае лазер 1 ориентируется таким образом, чтобы лазерное пятно на поверхность 5 консоли 6 было вытянуто вдоль этой консоли.

Фокусировка оптического объектива на исследуемый образец позволяет осуществлять облучение образца в области взаимодействия зонда с образцом и регистрацию оптической радиации из этой области. Формирование луча по предлагаемому способу позволяет получить на поверхности фотоприемника пятно минимального размера, ограниченного дифракционной расходимостью луча света и возможным несовершенством используемых оптических элементов. Уменьшение размера пятна на позиционно чувствительном фотоприемнике обеспечивает увеличение сигнала при том же отклонении направления луча и увеличение чувствительности системы.

Коллимирование отраженного луча объективом приводит к формированию при совершенной оптике луча с диффракционной расходимостью. Правильный выбор расстояния до фотоприемника позволяет согласовать диаметр луча и размер чувствительной поверхности фотоприемника.

Формирование луча по предлагаемому способу позволяет получить на поверхности фотоприемника пятно минимального размера, ограниченного дифракционной расходимостью света и возможным несовершенством используемых оптических элементов, независимо от диаметра луча на выходном зрачке объектива.

Расположение лучей по предлагаемому способу обеспечивает совпадение путей падающего и отраженного лучей. Такая конфигурация минимизирут виньетирование лучей при больших амплиатудах колебания консоли. Вышеперечисленное также позволяет повышать чувствительность системы.

Разделение падающего и отраженного лучей за счет поворота поляризации уменьшает потери света, что приводит к увеличению лучистой энергии, падающей на фотоприемник. При той же мощности лазера это позволяет достигать лучшего отношения сигнал/шум.

Ориентация лазерного пятна вдоль консоли минимизирует диффракционные ограничения на чувствительность к изгибным колебаниям консоли. Пятно на поверхности фотоприемника в этом случае оказывается вытянутым в направлении, перпендикулярном направлению смещения этого пятна при изгибе консоли зонда. Получаемая форма пятна обеспечивает лучшую чувствительность к изгибу по отношению к скручиванию консоли.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент № US 6455838 В2.

2. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т. 12, №1, 1998 г., с.99-121.

3. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И. Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.

1. Способ регистрации отклонения зонда сканирующего микроскопа с оптическим объективом, включающий формирование луча от источника света, направление его через оптический объектив, настроенный на образец, на отражающую поверхность консоли зонда, получение с использованием оптического объектива светового пятна на чувствительной поверхности многосегментного фотоприемника и регистрацию изменения положения светового пятна по чувствительной поверхности для определения отклонения консоли зонда по этому изменению, отличающийся тем, что за источником света расположена длиннофокусная линза с изменяемым фокусным расстоянием и светоделитель, расходимость луча формируют таким образом, чтобы этот луч, проходя через оптический объектив, фокусировался (образовывал каустику) над отражающей поверхностью консоли зонда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каустика луча расположена над отражающей поверхностью консоли зонда на расстоянии, равном расстоянию от этой поверхности до плоскости предмета объектива.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каустика луча расположена над отражающей поверхностью консоли зонда на расстоянии, большем расстояния от этой поверхности до плоскости предмета объектива, при этом оно выбирается таким образом, чтобы действительное изображение каустики строилось на чувствительной поверхности фотоприемника.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что луч входит во входной зрачок объектива параллельно оси объектива, но со смещением, таким что луч, выходящий из объектива, падает на отражающую поверхность консоли зонда под прямым углом к этой поверхности.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение лучей, падающего и отраженного, производится за счет вращения их поляризации, приводящей к повороту поляризации луча на 90° после двух проходов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании лазеров с различной расходимостью лазерного луча в двух напралениях лазер ориентируется таким образом, чтобы лазерное пятно на отражающей поверхности консоли зонда было вытянуто вдоль консоли.