Ближнепольная микроскопия для определения оптических свойств и дисперсионных характеристик наноразмерных волноведущих структур на основе наноматериалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Грудинин Дмитрий Викторович

• Грудинин Дмитрий Викторович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Грудинин Дмитрий Викторович

Оглавление

Введение

Глава 1. Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия: история, принципы и методы

1.1 Ограничения классической оптической микроскопии

1.2 Первые экспериментальные реализации ближнепольных микроскопов

1.3 Переход к зондовой ближнепольной микроскопии

1.3.1 Апертурные зонды из конических оптоволокон

1.3.2 Безапертурные зонды

1.4 Атомно-силовая микроскопия и методы обратной связи

1.4 Выводы

Глава 2. Методы регистрации и обработки ближнепольного сигнала

2.1 Фильтрация ближнепольного сигнала. Гетеродинная схема

2.1.1 Демодуляция по резонансной частоте зонда

2.1.2 Гетеродинная фильтрация

2.2 Обработка ближнепольных измерений для извлечения свойств волноводных мод

2.3 Выводы

Глава 3. Извлечение дисперсии волноводных мод из ближнего поля

3.1 Особенности обработки комплексного ближнепольного сигнала

3.2 Коррекция фазового дрейфа в ближнепольных измерениях

3.3 Комплексное преобразование Фурье для анализа осцилляций

3.4 Аппроксимация Фурье-спектра и извлечение параметров мод

3.5 Геометрические поправки и определение направления распространения волны

3.6 Выводы

Глава 4. Получение оптических констант материала

4.1 Методика восстановления показателя преломления по эффективным индексам мод

4.2 Извлечение внеплоскостного показателя преломления Рё8е2

4.3 Расширение метода для многомодовых и анизотропных структур

4.4 Демонстрация метода на примере Аб283

4.5 Выводы

Глава 5. Ближнепольное исследование плазмонных мод в ультратонких золотых плёнках

5.1 Введение

5.2 Экспериментальная методика

5.3 Дисперсия плазмонных мод

5.4 Аномальная длина пробега плазмонов в ультратонких плёнках золота

5.5 Выводы

Глава 6. Определение оптических констант гексагонального нитрида

6.1 Введение

6.2 Кристаллическая структура и анизотропия hBN

6.3 Методика спектральной эллипсометрии

6.4 Методика ближнепольной микроскопии (р-СБОМ)

6.5 Оптические константы hBN

6.6 Наноразмерные волноводы на основе hBN

6.7 Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ближнепольная микроскопия для определения оптических свойств и дисперсионных характеристик наноразмерных волноведущих структур на основе наноматериалов»

Актуальность работы.

Развитие интегральной нанофотоники [1] и её активное внедрение в прикладные оптоэлектронные устройства [2,3] приводит к гонке за оптимизацией свойств нанофотонных структур [4]. Ограничения интегрированных оптических схем и устройств - такие как минимальный размер элементов, потребление энергии, рабочая длина волны и характер взаимодействия со светом - напрямую определяются оптическими свойствами материалов, лежащих в их основе [5]. Для заданной длины волны X показатель преломления п материала задаёт минимально возможный масштаб структурного элемента порядка Х/п [6]. Недавние исследования показали, что слоистые материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов, обладают высоким показателем преломления (п > 4 в ближнем ИК и телекоммуникационном диапазонах для диселенидов и дисульфидов вольфрама и молибдена [7]). В частности, для многослойного MoS2 зарегистрировано значение п ~ 4 в ИК-диапазоне, что примерно на 20% выше, чем у стандартных материалов (кремний п ~ 3.47, аморфный кремний п ~ 3.48, GaAs п ~ 3.37). Помимо этого, такие материалы демонстрируют гигантскую оптическую анизотропию [8], которая открывает новые степени свободы в проектировании интегральных нанофотонных структур, включая волноводы с экстремальной глубиной проникновения [9,10], ультратонкие поляризаторы и волновые пластинки [11,12], анизотропный транспорт поляритонов [13], структуры с анапольным состоянием [14] и субдифракционные волноводы [15].

При столь широком спектре оптоэлектронных применений критически важно знание всех компонент диэлектрического тензора материалов, включая внеплоскостную составляющую. Плоскостная компонента диэлектрического тензора может быть исследована методами отражательной и пропускательной спектроскопии [16], а также спектральной эллипсометрии [17]. Однако эти подходы практически не чувствительны к внеплоскостному компоненту: методы

пропускания и отражения не дают информации о нём, а при больших значениях п и высоких углах падения эллипсометрия теряет чувствительность вследствие эффекта полного внутреннего отражения и закона Снеллиуса.

Тем временем, в отличие от дальнепольных оптических методик, рассеивающая сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (р-СБОМ) демонстрирует значительно более высокую чувствительность к внеплоскостным компонентам локального электромагнитного поля, что делает её особенно перспективной для передовых исследования анизотропных и слоистых материалов [18]. Это обусловлено тем, что сигнал в р-СБОМ формируется за счёт взаимодействия наноскопического рассеивателя (зонда) с ближним полем образца, в этой конфигурации существенный вклад вносят вертикальные компоненты электрического поля, засчёт того, что зонд можно представить в виде вытянутого вертикального диполя [19,20]. Таким образом, ближнепольная микроскопия не только обеспечивает пространственное разрешение, ограниченное размерами зонда, но и позволяет получать информацию о распределении поля в направлении нормали к поверхности, что делает её уникальным инструментом для анализа оптической анизотропии и определения всех компонент диэлектрического тензора [21].

В настоящей работе разработан и исследован метод количественного анализа ближнепольных изображений, основанный на усовершенствованной обработке спектра, рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (р-СКБОМ) с одновременным учётом амплитудной и фазовой составляющих. Применение нового алгоритма обработки, включающего модифицированный подход к Фурье-анализу и предобработке фазы ближнепольного сигнала, обеспечивает более чем двукратное повышение точности определения дисперсии волноводных мод по сравнению с классическими амплитудными методами, что повышает достоверность интерпретации экспериментальных данных. Также, предложен и реализован

подход к определению и верификации оптических констант ван-дер-ваальсовых материалов, основанный на совмещении данных р-СКБОМ и атомно-силовой микроскопии, позволяющий извлекать значения компонент диэлектрического тензора в диапазоне длин волн от 700 до 1600 нм. С использованием этих двух подходов, впервые экспериментально продемонстрировано существование и распространение плазмонных мод в ультратонких золотых плёнках толщиной менее 10 нм в телекоммуникационном диапазоне от 1500 до1600 нм и определены их дисперсионные характеристики. А так же получены значения вне плоскостной компоненты оптических констант гексагонального нитрида бора (hBN) в диапазоне от 700 до 1000 нм. Разработанный подход обеспечивает универсальный инструмент для независимого извлечения оптических параметров анизотропных и ультратонких материалов, что имеет существенное значение для исследования и проектирования нанофотонных структур.

Цель диссертационной работы. Целью работы является разработка и экспериментальная реализация методов количественного анализа ближнепольных изображений для извлечения дисперсионных свойств волноводных и плазмонных мод, а также определение оптических констант анизотропных и ультратонких материалов (включая ван-дер-ваальсовые кристаллы и металлические плёнки) в широком спектральном диапазоне.

Научная новизна работы.

- Разработана и экспериментально апробирована методика количественного анализа изображений рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (р-СКБОМ; р-СБОМ), основанная на одновременном учёте амплитудной и фазовой составляющих ближнего поля. Метод обеспечивает более чем двукратное повышение точности извлечения характеристик волноводных мод и повышает достоверность интерпретации экспериментальных данных.

- Впервые предложена и реализована методика определения оптических констант ван-дер-ваальсовых материалов, основанная на совмещении данных р-СКБОМ и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Метод позволяет получать достоверные значения компонент диэлектрического тензора в диапазоне длин волн 700-1600 нм.

- Впервые экспериментально продемонстрировано возбуждение и распространение плазмонных мод в ультратонких золотых плёнках толщиной менее 10 нм в телекоммуникационном диапазоне длин волн от 1500 до 1600 нм. При этом с использованием разработанной методики извлечены дисперсионные зависимости и параметры распространения плазмонных мод.

- Получены значения внеплоскостной компоненты диэлектрического тензора гексагонального нитрида бора (hBN) в спектральном диапазоне от 700 до 1000 нм, методами ближнепольного анализа, что обеспечивает основу для проектирования нанофотонных устройств в УФ, видимом и ИК диапазонах, а также продемонстрирована возможность использования гексагонального нитрида бора для проектирования волноводов шириной менее 50 нм.

Основные методы исследования. В работе использовались аналитические модели и компьютерное моделирование в программных пакетах CST Studio Suite, Origin, Comsol Multiphysics, Python, Matlab и Wolfram Mathematica. Для экспериментальных исследований использовались следующие техники: ближнепольная рассеивающая микроскопия; атомно-силовая, электронная и оптическая микроскопии; спектральная эллипсометрия; электронно-лучевое напыление тонких пленок; спектроскопия пропускания света; механическая эксфолиация слоистых материалов; спектроскопия комбинационного рассеяния света.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1) Методика количественного анализа карт рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии с одновременным учетом амплитудной и фазовой составляющих позволяет определять эффективный индекс волноводных мод и пространственное расположение возбуждающих их рассеивателей для диапазона длин волн от 700 до 1600 нм, а также более чем вдвое повышает точность определения сдвига эффективного индекса моды по сравнению с подходом, использующим только амплитудную составляющую ближнепольной микроскопии.

2) Совместный анализ дисперсионных характеристик волноводных мод по данным рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии и профиля толщины волноведущей структуры по данным атомно-силовой микроскопии обеспечивает корректное решение обратной электродинамической задачи определения анизотропных оптических констант прозрачных слоистых анизотропных сред для диапазона длин волн от 700 до 1600 нм.

3) Ультратонкие сплошные пленки золота толщиной менее 10 нм поддерживают распространение двух типов поверхностных плазмон-поляритонов, длиннодействующей и короткодействующей мод, в телекоммуникационном инфракрасном диапазоне (1500-1600 нм). Систематическое отклонение экспериментально определенной длины пробега данных плазмонных возбуждений от значений, предсказываемых в рамках классической локальной макроскопической электродинамики (более чем на 5 %), физически обусловлено проявлением эффектов пространственной дисперсии (нелокальности) и особенностями электронной динамики в предельно тонких металлических системах.

4) Гексагональный нитрид бора обладает гигантской оптической анизотропией и отсутствием оптических потерь в диапазоне длин волн 700-1000 нм, что экспериментально подтверждено путем независимого извлечения внеплоскостной компоненты диэлектрического тензора методами ближнепольного анализа.

Выявленная совокупность фундаментальных оптических характеристик обеспечивает сильную субволновую локализацию электромагнитного поля и физически обосновывает возможность создания на основе hBN субдифракционных фотонных волноводов с поперечным размером менее 50 нм.

Научная и практическая значимость работы.

Научная значимость работы заключается в развитии методов количественного анализа данных рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (р-СКБОМ) и в расширении возможностей этой техники для точного определения оптических констант и дисперсионных характеристик нанофотонных структур. Разработанная методика обработки ближнепольных данных с использованием комплексного Фурье-анализа и учёта фазовой информации обеспечивает повышение точности извлечения характеристик волноводных мод более чем в два раза по сравнению с традиционными амплитудными подходами. Это открывает возможность для независимого определения компонент диэлектрического тензора, включая внеплоскостную составляющую, непосредственно из экспериментальных данных, без необходимости априорного задания оптических параметров материала.

С научной точки зрения полученные результаты вносят вклад в развитие количественной ближнепольной нанофотоники, обеспечивая инструмент для изучения взаимодействия света с анизотропными, слоистыми и ультратонкими волноведущими структурами. Впервые экспериментально подтверждено существование плазмонных мод в ультратонких золотых плёнках толщиной менее 10 нм и определены их дисперсионные параметры, что углубляет понимание механизмов распространения поверхностных плазмонов в предельных геометрических условиях. Дополнительно полученные значения оптических констант гексагонального нитрида бора (hBN) и ван-дер-ваальсовых материалов в широком спектральном диапазоне создают экспериментальную базу для дальнейшего развития моделей оптического отклика подобных систем.

Практическая значимость работы заключается в создании универсального и воспроизводимого подхода к извлечению оптических параметров наноматериалов, который может быть применён при проектировании и оптимизации нанофотонных и плазмонных устройств, сенсоров и метаповерхностей. Разработанные методы и алгоритмы обработки ближнепольных данных могут быть интегрированы в существующие программные комплексы для анализа изображений р-СКБОМ, что расширяет их функциональные возможности и повышает точность интерпретации экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на 4 профильных российских и 3 международных конференциях.

Публикации автора по теме диссертации. По материалам диссертации опубликовано 13 статей в зарубежных журналах, входящих в базы цитирования Scopus и Web of Science, 11 из которых принадлежат к публикациям первого квартиля.

Личный вклад соискателя. Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором лично либо при его непосредственном участии.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она изложена на 131 странице машинописного текста, включает 68 рисунков и 1 таблицу. Список литературы насчитывает 111 наименований.

Глава 1. Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия: история,

принципы и методы

Методы сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (СБОМ) основаны на взаимодействии света с объектом в области эванесцентных (затухающих) волн, локализованных вблизи границы раздела сред. Эти волны не распространяются в дальнюю зону и могут быть зарегистрированы только при зондировании области ближнего поля. Само явление было впервые зафиксировано ещё Исааком Ньютоном в эксперименте, позднее названном «расстроенным полным внутренним отражением» [22]. Он показал, что при сближении двух призм на расстояние порядка сотен нанометров свет, полностью отражённый в первой призме, частично передаётся во вторую. Этот опыт стал первым экспериментальным проявлением ближнего поля, хотя его физическая природа тогда ещё не была понятна.

Современное развитие ближнепольной микроскопии стало возможным благодаря совершенствованию технологий нанопозиционирования, созданию оптоволоконных и металлических зондов, а также внедрению методов модуляции и демодуляции сигнала. СБОМ сегодня является одним из наиболее информативных инструментов исследования наноструктур и локальных оптических свойств поверхности с разрешением, выходящим далеко за предел дифракционного ограничения классической оптики.

Цель главы - исследовать физические принципы формирования ближнего поля и показать, каким образом использование локализованных оптических взаимодействий позволяет преодолеть дифракционный предел микроскопии.

Для достижения цели решаются следующие задачи:

1. Проследить историческое развитие идей ближнепольной микроскопии.

2. Рассмотреть физическую природу ближнего поля и роль эванесцентных

волн.

3. Изложить принципы работы апертурных и безапертурных микроскопов.

4. Описать методы возбуждения и регистрации ближнепольного излучения.

1.1 Ограничения классической оптической микроскопии

Самый простой и распространённый метод изучения оптических свойств материалов на данный момент - оптическая микроскопия. В оптической микроскопии для получения увеличенного изображения объектов микро масштаба используется набор зеркал и линз. Разрешение оптической микроскопии определяется аберрациями и дифракцией. В то время как вклад аберраций может быть сведен на нет за счёт использования линз и зеркал сложной формы, например, параболические ртутные зеркала в современных телескопах, от влияния дифракции на оптическое изображение избавиться нельзя. Это является следствием волновой природы света и невозможностью фокусировки света в бесконечно малое пятнышко.

Ещё в ранних 1870-ых Эрнст Аббе сформулировал критерий дифракции [23] - условие, при котором возможно различить два близко стоящих объекта через оптический микроскоп:

(1.1)

где d - расстояние между двумя объектами, X - длина волны света, 0 - угол через который свет собирается. Эта теория была впоследствии развита дальше Лордом Рэлеем в конце 1870-ых [24] Для понимания природы дифракционного предела можно рассмотреть интерференционные кольца Эйри. Под картиной интерференционных колец Эйри подразумевается распределение интенсивности сфокусированного плоского излучения с помощью математически идеальной линзы:

2

/ = /0 рАО*™^) , (1.2)

0 V уЬ БШ а У ' 4 '

где - это функция Бесселя первого порядка, /0 - максимальная интенсивность в центре интерференционной картины, V = 2п/Л, где Л длина волны света, Ь -расстояние от линзы до экрана (фокусное расстояние), а - угол от оптической оси линзы, до точки построения интенсивности на экране, относительно линзы. Рисунок 1.1 показывает интерференционные картины дисков Эйри в одиночном случае и при сближении двух дисков. Видно, что если диски расположены слишком близко, то становится невозможно разрешить их количество.

Рисунок 1.1 - (а) Схематическое изображение интерференции и распределения интенсивности. На нижних графиках (б-д) приведены распределения интенсивности при различных условиях перекрытия пучков. На рисунке (б)

показано разделение пучков без существенного перекрытия. На рисунке (в) представлено частичное перекрытие пучков с формированием характерного интерференционного профиля. На рисунке (г) показано значительное перекрытие пучков, при котором суммарная интенсивность демонстрирует слияние максимумов. На рисунке (д) приведён случай полного перекрытия пучков.

Расстояние, на котором два близлежащих объекта можно различить в соответствии с критерием Рэллея: расстояние между центрами дифракционных пятен каждого изображения не меньше радиуса первого тёмного дифракционного пятна, выражается формулой:

Я = 0.61 —, (1.3)

где Я - длина волны излучения, а NA - числовая апертура, равная п sin а, где п -показатель преломления среды, а а - угол апертуры объектива. Отсюда можно сделать вывод, что улучшить разрешение можно засчёт изменения длины волны, на которой происходит наблюдение, изменения параметров объектива или показателя преломления среды. В случае оптических микроскопов наилучшее возможное разрешение будет около 200 нм, что слишком много для изучения наноразмерных объектов.

1.2 Первые экспериментальные реализации ближнепольных микроскопов

Первая идея увеличения разрешение оптических микроскопов, иными словами, первая концепция ближнепольной микроскопии была предложена ученым И. Г. Синжедом в 1928 году в статье «A suggested method for extending the microscopic resolution into the ultramicroscopic region» [25]. В своей работе он указывает на проблему дифракционного предела, и того, что возможные способы улучшения разрешения: уменьшение длины волны и увеличение числовой апертуры не дадут искомого результата. Он предложил взять обычный оптический микроскоп, работающий на просвет, то есть, где засветка производится снизу из-под образца, а объектив находится над образцом. Но вместо большой апертуры засветки использовать апертуру диаметром всего 100 нм, что позволяет засвечивать образец только в непосредственной близости от апертуры и тем самым добиться субволнового разрешения, за счёт ближнего поля (Рисунок 1.2).

Освещение

Рисунок 1.2 - Схематичная иллюстрация первой идеи ближнепольного микроскопа, предложенной Синжедом в 1928 году.

Работа Синжеда была полностью теоретической, и в ней Синжед указал на две серьёзные проблемы, связанных с экспериментальной реализацией. Первая, дальнепольное излучение должен быть очень высокой интенсивности, это связано

с тем, что малая апертура очень сильно уменьшит интенсивность проходящего света. Пропускание света через идеально тонкий экран с апертурой описывается выражение [26]:

^^^(Т1)4^», (14)

где а - радиус апертуры, Я - длина волны. Видно, что коэффициент пропускания пропорционален (а/Я)4, а вспомнив, что, если мы хотим преодолеть дифракционный предел, то а « Я, можно заметить, что интенсивность излучения падает на много порядков. И вторая, сложность размещение образца и его перемещение для дальнейшего сканирования около столь маленькой апертуры. Нужна возможность двигать образец хотя бы с шагом 100 нм. Несмотря на эти трудности, теоретически подход Синжеда позволял преодолеть критерий Рэлея (Рисунок 1.3).

f | f I f Освещение f f f j f

Рисунок 1.3 - (а) Схематичное изображение классической разрешающей способности в случае двух близко стоящих объектов. (б) Схематичное изображение разрешающей способности двух близко стоящих объектов в случае

использования ближнепольного подхода.

Только через четыре года после выпуска этой работы Синжед предложил решение одной из этих проблем. В своей работе «An application of piezoelectricity to microscopy» он разрешил проблему сложности передвижения образца с

субволновым шагом вдоль апертуры микроскопа [27]. Он предложил использовать пьезоэлектричество для сканирования образца. Пьезоэлектричество - эффект продуцирования веществом (кристаллом) электрической силы при изменении формы [28]. Аналогичный эффект наблюдается и при обратном процессе - изменение формы кристалла при подаче на него напряжения, что используется для высокоточного позиционирования образца. Работы Синжеда не получили широкого признания, и тематика, не смотря на свой потенциал, оставалась не актуальной ещё более 20-ти лет.

В 1956 году математик Дж. А. О'Кифе снова предложил метод ближнепольной микроскопии, он не знал про работы Синжеда 1928-го и 1932-го года, так что его работа была полностью независимой от предыдущих исследований. В своей работе О'Кифе предложил точно тот же концепт, что и Синжед и указал на точно те же проблемы: «Реализация этого предложения весьма отдалена из-за трудности обеспечения относительного движения между точечным отверстием и объектом, когда объект должен быть поднесен так близко к точечному отверстию.» [29].

Однако, в этот раз работа получила огласку и уже в том же году была проведена первая экспериментальная демонстрация принципа ближнепольной микроскопии А. В. Баезом [30]. В своём эксперименте Баез использовал звуковые волны, что позволило работать на более больших длинах волн, благодаря этому решается проблема размещения образца над апертурой и их относительное перемещение: «Генератор звуковой частоты был подключен к аудио усилителю, выход которого шел на громкоговоритель, помещенный в большую коробку и обитый изоляционным материалом. В коробке было сделано отверстие диаметром около 1.5 см. Рядом с отверстием располагался микрофон с направленным экраном над ним. Генератор звуковой частоты был установлен на 2400 циклов в секунду, что соответствует длине волны около 14 см. Таким образом, отверстие имело размер около 0,1 длины волны. Выход микрофона поступил на магнитофон и на электронно-лучевой осциллограф.» [30]. В своей работе он

продемонстрировал, что измеряя интенсивность звуков снаружи этого устройства возможно различить наличие или отсутствие человеческого пальца перед отверстием прибора (Рисунок 1.4), что является качественной иллюстрацией работоспособности принципа ближнепольной микроскопии описанного в работе Синжеда.

Рисунок 1.4 - Схематичное изображение первой экспериментальной демонстрации принципа ближнепольной микроскопии. В случае, когда апертура открыта (а) уровень шума больше, чем в случае, когда напротив неё расположен

Первая же оптическая экспериментальная реализация была проведена только через ещё 16 лет в 1972 году учёными Э. Эшом и Дж. Никольсом [31]. Для избегания проблем, описанных в работах Синжеда и О'Кифе, связанных с размерами апертуры и перемещениями образца. Они в своём эксперименте пошли путём увеличения длины волны, на которой проводилось исследование. Они использовали микроволновое излучение с длиной волны 3 см. В качестве исследуемого образца использовали листок алюминия, размеры апертуры, в свою очередь, составляли 1.5 мм. В своём эксперименте они продемонстрировали разрешающую способность в более чем 30 раз превосходящую условие дифракционного предела.

а

б

человеческий палец (б).

В 1984 году впервые начали проводиться эксперименты в видимом диапазоне света. В работе А. Льюиса и коллег [32] был предложен способ создание апертур нужного радиуса, что в купе с использованием пьезоэлектрических подвижек позволило достичь пространственного разрешения в 50 нм.

Таким образом, развитие ближнепольной оптической микроскопии стало возможным благодаря сочетанию идей преодоления дифракционного предела и технического прогресса в микро- и нанопозиционировании. Историческая эволюция от апертурных к безапертурным методам позволила значительно повысить пространственное разрешение и расширить область применений СБОМ.

1.3 Переход к зондовой ближнепольной микроскопии

Однако, все до этого реализованные эксперименты работают всё с той же концепцией маленькой апертуры засветки. Это накладывает ограничение на исследование только плоских образцов. В случае если образец не ровный, то во впадинах, при отдалении апертуры от поверхности разрешение стремительно ухудшается. Потенциальное решение этой проблемы было предложено в работе Д. В. Пола и коллег [33]. В их работе апертура находится на кончике "зонда". Зонд в их работе представлял микропипетку рисунок 4а, и, к сожалению, пока что этот "зонд" являлся очень толстым для полноценного сканирования неровного образца. Эта работа стала основой для дальнейшего развития конструкции прибора, применяемой в современных установках. После этой работы было еще несколько с плохо воспроизводимыми результатами, предлагающих аналогичный вид апертуры в виде микропипетки (Рисунок 1.5) [34-36].

а

б

/ч

т.

^чимойрн t

-LASER BEAM

Ч

QUARTZ

WITH

METAL

FILM

SLIDE

Рисунок 1.5 - (а) Иллюстрация схемы работы микроскопа из работы Пола и коллег. (б) Изображение микропипетки, полученное с помощью сканирующего

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Грудинин Дмитрий Викторович, 2026 год

Список литературы

1. Jalali B., Fathpour S. Silicon photonics // J. Light Technol. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2006. Т. 24, № 12. С. 4600-4615.

2. Nagarajan R. и др. Large-scale photonic integrated circuits // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2005. Т. 11, № 1. С. 50-65.

3. Heck M.J.R. и др. Hybrid silicon photonic integrated circuit technology // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2013. Т. 19, № 4. С. 6100117-6100117.

4. Baranov D.G. и др. All-dielectric nanophotonics: the quest for better materials and fabrication techniques // Optica. Optica Publishing Group, 2017. Т. 4, № 7. С. 814.

5. Soref R. The past, present, and future of silicon photonics // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2006. Т. 12, № 6. С. 1678-1687.

6. Novotny L., Hecht B. Principles of Nano-Optics // Princ. Nano-Optics. Cambridge University Press, 2012. Т. 9781107005464. С. 1-564.

7. Li Y. и др. Measurement of the optical dielectric function of transition metal dichalcogenide monolayers: MoS2, MoSe2, WS2 and WSe2 // Phys. Rev. B -Condens. Matter Mater. Phys. American Physical Society, 2016. Т. 90, № 20.

8. Ermolaev G.A. и др. Giant optical anisotropy in transition metal dichalcogenides for next-generation photonics // Nat. Commun. 2021 121. Nature Publishing Group, 2021. Т. 12, № 1. С. 1-8.

9. Jahani S. и др. Controlling evanescent waves using silicon photonic all-dielectric metamaterials for dense integration // Nat. Commun. 2018 91. Nature Publishing Group, 2018. Т. 9, № 1. С. 1-9.

10. Ermolaev G. и др. Van Der Waals Materials for Subdiffractional Light Guidance

// Photonics 2022, Vol. 9, Page 744. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2022. T. 9, № 10. C. 744.

11. Correas-Serrano D. h gp. Black phosphorus plasmonics: anisotropic elliptical propagation and nonlocality-induced canalization // J. Opt. IOP Publishing, 2016. T. 18, № 10. C. 104006.

12. Slavich A.S. h gp. Exploring van der Waals materials with high anisotropy: geometrical and optical approaches // Light Sci. Appl. 2024 131. Nature Publishing Group, 2024. T. 13, № 1. C. 1-9.

13. Hu F. h gp. Imaging exciton-polariton transport in MoSe2 waveguides // Nat. Photonics. Nature Publishing Group, 2023. T. 11, № 6. C. 356-360.

14. Verre R. h gp. Transition metal dichalcogenide nanodisks as high-index dielectric Mie nanoresonators // Nat. Nanotechnol. Nat Nanotechnol, 2019. T. 14, № 7. C. 679-683.

15. Vyshnevyy A.A. h gp. van der Waals Materials for Overcoming Fundamental Limitations in Photonic Integrated Circuitry // Nano Lett. Nano Lett, 2023. T. 23, № 17. C. 8057-8064.

16. Frisenda R. h gp. Micro-reflectance and transmittance spectroscopy: A versatile and powerful tool to characterize 2D materials // J. Phys. D. Appl. Phys. Institute of Physics Publishing, 2017. T. 50, № 7.

17. Shan A., Podraza N.J., Jellison G.E. Ellipsometry: dielectric functions of anisotropic crystals and symmetry // JOSA A, Vol. 39, Issue 12, pp. 2225-2237. Optica Publishing Group, 2022. T. 39, № 12. C. 2225-2237.

18. Schneider S.C., Grafstrom S., Eng L.M. Scattering near-field optical microscopy of optically anisotropic systems // Phys. Rev. B. American Physical Society, 2005. T. 71, № 11. C. 115418.

19. Novotny L., Bian R.X., Xie X.S. Theory of Nanometric Optical Tweezers // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 1997. T. 79, № 4. C. 645.

20. Novotny L., Stranick S.J. Near-field optical microscopy and spectroscopy with pointed probes // Annu. Rev. Phys. Chem. Annu Rev Phys Chem, 2006. T. 57. C. 303-331.

21. Govyadinov A.A. h gp. Recovery of permittivity and depth from near-field data as a step toward infrared nanotomography // ACS Nano. ACS Nano, 2014. T. 8, № 7. C. 6911-6921.

22. Newton I., Hemming G.. Opticks: or, A treatise of the reflections, refractions, inflexions and colours of light: also two treatises of the species and magnitude of curvilinear figures // Opticks: or, A treatise of the reflections, refractions, inflexions and colours of light: also two treatises of the species and magnitude of curvilinear figures. Printed for Sam. Smith, and Benj. Walford, 2020.

23. Abbe E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung // Arch. für mikroskopische Anat. 1873. T. 9, № 1. C. 413-418.

24. Rayleigh. XXXI. Investigations in optics, with special reference to the spectroscope // London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci. Informa UK Limited, 1879. T. 8, № 49. C. 261-274.

25. Synge E.H. XXXVIII. A suggested method for extending microscopic resolution into the ultra-microscopic region // Philos. Mag. Ser. 1. Informa UK Limited, 1928. T. 6, № 35. C. 356-362.

26. Bethe H.A. Theory of Diffraction by Small Holes // Phys. Rev. American Physical Society, 1944. T. 66, № 7-8. C. 163.

27. Synge E.H. XXIII. An application of piezo-electricity to microscopy // London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci. Taylor & Francis Group, 1932. T. 13, № 83. C. 297-300.

28. Леммлейн Г. Г. Руководство к изготовлению пьезокварцевых препаратов // Изд-во АН СССР. 1931. С. 55.

29. O'Keefe J.A. Resolving Power of Visible Light // J. Opt. Soc. Am. Optica Publishing Group, 1956. Т. 46, № 5. С. 359.

30. Baez A. V. Is Resolving Power Independent of Wavelength Possible? An Experiment with a Sonic "Macroscope" // JOSA, Vol. 46, Issue 10, pp. 901-901. Optica Publishing Group, 1956. Т. 46, № 10. С. 901-901.

31. Ash E.A., Nicholls G. Super-resolution Aperture Scanning Microscope // Nat. 1972 2375357. Nature Publishing Group, 1972. Т. 237, № 5357. С. 510-512.

32. Lewis A. и др. Development of a 500 Ä spatial resolution light microscope: I. light is efficiently transmitted through У16 diameter apertures // Ultramicroscopy. North-Holland, 1984. Т. 13, № 3. С. 227-231.

33. Pohl D.W., Denk W., Lanz M. Optical stethoscopy: Image recording with resolution У20 // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing, 1984. Т. 44, № 7. С. 651-653.

34. Betzig E. и др. Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM): Development and Biophysical Applications // Biophys. J. Biophys J, 1986. Т. 49, № 1. С. 269279.

35. Harootunian A. и др. Super-resolution fluorescence near-field scanning optical microscopy // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing, 1986. Т. 49, № 11. С. 674-676.

36. Lewis A. и др. Near-field diffraction by a slit: implications for superresolution microscopy // Appl. Opt. Vol. 25, Issue 12, pp. 1890-1900. Optica Publishing Group, 1986. Т. 25, № 12. С. 1890-1900.

37. Morrison G.H., Holton M., Valaskovic G.A. Parameter control, characterization, and optimization in the fabrication of optical fiber near-field probes // Appl. Opt. Vol. 34, Issue 7, pp. 1215-1228. Optica Publishing Group, 1995. Т. 34, № 7. С.

1215-1228.

38. Betzig E. h gp. Breaking the diffraction barrier: optical microscopy on a nanometric scale // Science. Science, 1991. T. 251, № 5000. C. 1468-1470.

39. Turner D.R., Township C., County M. Etch procedure for optical fibers. 1983.

40. Stöckle R. h gp. High-quality near-field optical probes by tube etching // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing, 1999. T. 75, № 2. C. 160-162.

41. Ababneh T. Design and implementation of a near-field scanning optical module for inverted microscopes. 2014.

42. Cohen A.E. Trapping and manipulating single molecules in solution. 2006.

43. Hecht B. h gp. Scanning near-field optical microscopy with aperture probes: Fundamentals and applications // J. Chem. Phys. AIP Publishing, 2000. T. 112, № 18. C. 7761-7774.

44. Veerman J.A. h gp. High definition aperture probes for near-field optical microscopy fabricated by focused ion beam milling // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing, 1998. T. 72, № 24. C. 3115-3117.

45. Zenhausern F., O'Boyle M.P., Wickramasinghe H.K. Apertureless near-field optical microscope // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing, 1994. T. 65, № 13. C. 1623-1625.

46. Bachelot R., Gleyzes P., Boccara A.C. Near-field optical microscope based on local perturbation of a diffraction spot // Opt. Lett. Vol. 20, Issue 18, pp. 19241926. Optica Publishing Group, 1995. T. 20, № 18. C. 1924-1926.

47. Kawata S., Inouye Y., Sugiura T. Near-Field Scanning Optical Microscope with a Laser Trapped Probe // Jpn. J. Appl. Phys. IOP Publishing, 1994. T. 33, № 12A. C. L1725.

48. Kawata S., Inouye Y., Verma P. Plasmonics for near-field nano-imaging and

superlensing // Nat. Photonics 2009 37. Nature Publishing Group, 2009. T. 3, № 7. C. 388-394.

49. Courjon D., Bainier C. Near field microscopy and near field optics // Reports Prog. Phys. IOP Publishing, 1994. T. 57, № 10. C. 989.

50. Betzig E., Trautman J.K. Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit // Science (80-. ). American Association for the Advancement of Science (AAAS), 1992. T. 257, № 5067. C. 189-195.

51. Hartschuh A. h gp. Tip-enhanced optical spectroscopy for surface analysis in biosciences // Surf. Interface Anal. John Wiley & Sons, Ltd, 2006. T. 38, № 11. C. 1472-1480.

52. Hôppener C., Novotny L. Imaging of membrane proteins using antenna-based optical microscopy // Nanotechnology. Nanotechnology, 2008. T. 19, № 38.

53. Paulite M. h gp. Full spectroscopic tip-enhanced Raman imaging of single nanotapes formed from p-amyloid(1-40) peptide fragments // ACS Nano. ACS Nano, 2013. T. 7, № 2. C. 911-920.

54. Hermann P. h gp. Imaging and strain analysis of nano-scale SiGe structures by tip-enhanced Raman spectroscopy // Ultramicroscopy. North-Holland, 2011. T. 111, № 11. C. 1630-1635.

55. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy // Surf. Sci. North-Holland, 1983. T. 126, № 1-3. C. 236-244.

56. Binning G. h gp. Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 1982. T. 49, № 1. C. 57.

57. Chen C.J. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy // Introd. to Scanning Tunneling Microsc. Second Ed. Oxford University Press, 2007. T.

9780199211500. C. 1-432.

58. Mate C.M. h gp. Atomic-scale friction of a tungsten tip on a graphite surface // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 1987. T. 59, № 17. C. 1942.

59. Meyer G., Amer N.M. Novel optical approach to atomic force microscopy // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing, 1988. T. 53, № 12. C. 1045-1047.

60. Sarid D. Scanning Force Microscopy: With Applications to Electric, Magnetic and Atomic Forces // Scanning Force Microsc. Oxford University Press, 1994.

61. Hansma P.K. h gp. Scanning tunneling microscopy and atomic force microscopy: Application to biology and technology // Science (80-. ). American Association for the Advancement of Science, 1988. T. 242, № 4876. C. 209-216.

62. S. Magonov h gp. Scanning probe based apparatus and methods for low-force profiling of sample surfaces and detection and mapping of local mechanical and electromagnetic properties in non-resonant oscillatory mode. 2014.

63. Shubeita G.T. h gp. Scanning near-field optical microscopy based on the heterodyne phase-controlled oscillator method // J. Appl. Phys. AIP Publishing, 2000. T. 88, № 5. C. 2921-2927.

64. Bachelot R. h gp. Probing photonic and optoelectronic structures by apertureless scanning near-field optical microscopy // Microsc. Res. Tech. Microsc Res Tech, 2004. T. 64, № 5-6. C. 441-452.

65. Ocelic N., Huber A., Hillenbrand R. Pseudoheterodyne detection for background-free near-field spectroscopy // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing, 2006. T. 89, № 10.

66. Cvitkovic A., Ocelic N., Hillenbrand R. Analytical model for quantitative prediction of material contrasts in scattering-type near-field optical microscopy // Opt. Express, Vol. 15, Issue 14, pp. 8550-8565. Optica Publishing Group, 2007.

T. 15, № 14. C. 8550-8565.

67. Tranca D.E. h gp. High-resolution quantitative determination of dielectric function by using scattering scanning near-field optical microscopy // Sci. Reports 2015 51. Nature Publishing Group, 2015. T. 5, № 1. C. 1-9.

68. Hu D. h gp. Probing optical anisotropy of nanometer-thin van der waals microcrystals by near-field imaging // Nat. Commun. 2017 81. Nature Publishing Group, 2017. T. 8, № 1. C. 1-8.

69. Ermolaev G.A. h gp. Wandering principal optical axes in van der Waals triclinic materials // Nat. Commun. 2024 151. Nature Publishing Group, 2024. T. 15, № 1. C. 1-8.

70. Li P. h gp. Optical Nanoimaging of Hyperbolic Surface Polaritons at the Edges of van der Waals Materials // Nano Lett. American Chemical Society, 2016. T. 17, № 1. C. 228-235.

71. Sternbach A.J. h gp. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides // Nat. Commun. 2020 111. Nature Publishing Group, 2020. T. 11, № 1. C. 1-6.

72. Jo K. h gp. Direct nano-imaging of light-matter interactions in nanoscale excitonic emitters // Nat. Commun. 2023 141. Nature Publishing Group, 2023. T. 14, № 1. C. 1-10.

73. Pogna E.A.A. h gp. Near-field detection of gate-tunable anisotropic plasmon polaritons in black phosphorus at terahertz frequencies // Nat. Commun. 2024 151. Nature Publishing Group, 2024. T. 15, № 1. C. 1-8.

74. Li J. h gp. Near-Field Nanoimaging of Colloidal Transition Metal Dichalcogenide Waveguides // Adv. Funct. Mater. John Wiley and Sons Inc, 2024. T. 34, № 21. C. 2312127.

75. Luan Y. h gp. Imaging Anisotropic Waveguide Exciton Polaritons in Tin Sulfide

// Nano Lett. American Chemical Society, 2022. T. 22, № 4. C. 1497-1503.

76. Slavich A. h gp. Multifunctional van der Waals PdSe2 for light detection, guiding and modulation // Nat. Commun. 2025 161. Nature Publishing Group, 2025. T. 16, № 1. C. 9201-.

77. Engelhardt A.P., Taubner T., Hauer B. Quasi-analytical model for scattering infrared near-field microscopy on layered systems // Opt. Express, Vol. 20, Issue

12, pp. 13173-13188. Optica Publishing Group, 2012. T. 20, № 12. C. 1317313188.

78. Kaps F.G., Kehr S.C., Eng L.M. Polarization Sensitivity in Scattering-Type Scanning Near-Field Optical Microscopy-Towards Nanoellipsometry // Appl. Sci. 2023, Vol. 13, Page 10429. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2023. T.

13, № 18. C. 10429.

79. Matsunaga Y. h gp. End-to-end differentiable blind tip reconstruction for noisy atomic force microscopy images // Sci. Reports 2023 131. Nature Publishing Group, 2023. T. 13, № 1. C. 129-.

80. Anker J.N. h gp. Biosensing with plasmonic nanosensors // Nat. Mater. Nat Mater, 2008. T. 7, № 6. C. 442-453.

81. Fang Y., Sun M. Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits // Light Sci. Appl. 2015 46. Nature Publishing Group, 2015. T. 4, № 6. C. e294-e294.

82. Yao K., Liu Y. Plasmonic Metamaterials // Nanotechnol. Rev. Walter de Gruyter GmbH, 2013. T. 3, № 2. C. 177-210.

83. Barnes W.L., Dereux A., Ebbesen T.W. Surface plasmon subwavelength optics // Nat. 2003 4246950. Nature Publishing Group, 2003. T. 424, № 6950. C. 824-830.

84. Monticone F., Alu A. Metamaterial, plasmonic and nanophotonic devices // Rep.

Prog. Phys. Rep Prog Phys, 2017. T. 80, № 3.

85. Zayats A. V., Smolyaninov I.I., Maradudin A.A. Nano-optics of surface plasmon polaritons // Phys. Rep. North-Holland, 2005. T. 408, № 3-4. C. 131-314.

86. Grigorenko A.N., Polini M., Novoselov K.S. Graphene plasmonics // Nat. Photonics 2012 611. Nature Publishing Group, 2012. T. 6, № 11. C. 749-758.

87. Novoselov K.S. h gp. 2D materials and van der Waals heterostructures // Science (80-. ). American Association for the Advancement of Science, 2016. T. 353, № 6298.

88. Chen Y., Ming H. Review of surface plasmon resonance and localized surface plasmon resonance sensor // Photonic Sensors 2011 21. Springer, 2012. T. 2, № 1. C. 37-49.

89. Lebsir Y. h gp. Ultimate Limit for Optical Losses in Gold, Revealed by Quantitative Near-Field Microscopy // Nano Lett. American Chemical Society, 2022. T. 22, № 14. C. 5759-5764.

90. Maniyara R.A. h gp. Tunable plasmons in ultrathin metal films // Nat. Photonics 2019 135. Nature Publishing Group, 2019. T. 13, № 5. C. 328-333.

91. Yu R., Pruneri V., Garcia De Abajo F.J. Active modulation of visible light with graphene-loaded ultrathin metal plasmonic antennas // Sci. Rep. Nature Publishing Group, 2016. T. 6, № 1. C. 1-7.

92. Yun J. Ultrathin Metal films for Transparent Electrodes of Flexible Optoelectronic Devices // Adv. Funct. Mater. Wiley-VCH Verlag, 2017. T. 27, № 18. C. 1606641.

93. Ji C. h gp. Ultrathin-metal-film-based transparent electrodes with relative transmittance surpassing 100% // Nat. Commun. 2020 111. Nature Publishing Group, 2020. T. 11, № 1. C. 1-8.

94. Yakubovsky D.I. h gp. Ultrathin and Ultrasmooth Gold Films on Monolayer MoS2 // Adv. Mater. Interfaces. Wiley-VCH Verlag, 2019. T. 6, № 13. C. 1900196.

95. Butler S.Z. h gp. Progress, Challenges, and Opportunities in Two-Dimensional Materials Beyond Graphene // ACS Nano. American Chemical Society, 2013. T. 7, № 4. C. 2898-2926.

96. Caldwell J.D. h gp. Photonics with hexagonal boron nitride // Nat. Rev. Mater. Nature Publishing Group, 2019. T. 4, № 8. C. 552-567.

97. Grosso G. h gp. Tunable and high-purity room temperature single-photon emission from atomic defects in hexagonal boron nitride // Nat. Commun. 2017 81. Nature Publishing Group, 2017. T. 8, № 1. C. 1-8.

98. Pakdel A., Bando Y., Golberg D. Nano boron nitride flatland // Chem. Soc. Rev. The Royal Society of Chemistry, 2014. T. 43, № 3. C. 934-959.

99. Cai Y. h gp. Infrared reflectance spectrum of BN calculated from first principles // Solid State Commun. Pergamon, 2007. T. 141, № 5. C. 262-266.

100. Geick R., Perry C.H., Rupprecht G. Normal Modes in Hexagonal Boron Nitride // Phys. Rev. American Physical Society, 1966. T. 146, № 2. C. 543.

101. Palik Edward. Handbook of Optical Constants of Solids. 1991.

102. Asai H. Handbook on semiconductors, vol. 2: Optical properties of semiconductors. // Chem. Vap. Depos. John Wiley & Sons, Ltd, 1996. T. 2, № 1. C. 22-24.

103. McKay M.A. h gp. Anisotropic index of refraction and structural properties of hexagonal boron nitride epilayers probed by spectroscopic ellipsometry // J. Appl. Phys. American Institute of Physics Inc., 2020. T. 127, № 5.

104. Segura A. h gp. Natural optical anisotropy of h-BN: Highest giant birefringence in

a bulk crystal through the mid-infrared to ultraviolet range // Phys. Rev. Mater. American Physical Society, 2018. T. 2, № 2. C. 024001.

105. Kivshar Y. The Rise of Mie-tronics // Nano Lett. American Chemical Society, 2022. T. 22, № 9. C. 3513-3515.

106. Evlyukhin A.B. h gp. Demonstration of Magnetic Dipole Resonances of Dielectric Nanospheres in the Visible Region // Nano Lett. American Chemical Society, 2012. T. 12, № 7. C. 3749-3755.

107. Kotha M. h gp. Wavelength-Dependent Anisotropic Optical Properties in Layered GaTe for Polarization-Sensitive Applications // Adv. Photonics Res. John Wiley & Sons, Ltd, 2021. T. 2, № 12. C. 2100140.

108. Liang W.Y. Optical anisotropy in layer compounds // J. Phys. C Solid State Phys. 1973. T. 6, № 3. C. 551-565.

109. Azzam R.M.A., Bashara N.M. SpectraRay/ 4 Software Manual. North-Holland, 1987. C. 539.

110. Tompkins H.G., Irene E.A. Handbook of Ellipsometry // Handb. Ellipsom. Elsevier Inc., 2005. C. 1-870.

111. Fujiwara H. Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications // Spectrosc. Ellipsom. Princ. Appl. John Wiley and Sons, 2007. C. 1-369.