Известно, что оптические микроскопы, использующие лучи видимого света, не могут обеспечить увеличение в более чем несколько тысяч раз. Между тем степень проникновения в микромир и возможности его изучения напрямую зависят от разрешающей способности приборов, и сейчас нанонаправление научных исследований весьма актуально. Создание туннельного микроскопа положило начало развитию перспективной сканирующей зондовой микроскопии, однако все методы построения приборов в этой области изначально подразумевали измерение какого-либо неоптического параметра поверхности образца. Ситуацию переломило изобретение ближнеполевого оптического микроскопа. О принципах его действия и возможных применениях нам рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории оптической голографии Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси кандидат физико-математических наук Валерий ЯСИНСКИЙ.
— Идея создания ближнеполевого оптического микроскопа (БОМ) возникла еще в 1928 г. Ее впервые высказал ученый индийского происхождения Синг. В свое время он даже обсуждал ее с Эйнштейном. Но на тот момент техническая реализация проекта была еще неосуществима. В 1970-е гг. возможности этого подхода были исследованы для микроволнового диапазона. И наконец, в 1982 г., вскоре после изобретения туннельного микроскопа, Дитер Поль из швейцарской лаборатории фирмы IBM представил общественности первый БОМ.
— В чем преимущества ближнеполевой оптической микроскопии?
— Традиционные методы получения оптических изображений объектов имеют существенные ограничения. В частности, существует так называемый дифракционный предел, устанавливающий минимальный размер предмета, который можно различить при помощи оптической системы, использующей свет с определенной длиной волны. Для оптического диапазона этот предел составляет порядка 200—300 нм. В ближнеполевой оптической микроскопии применяются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне 10 нм. В основу БОМ положено явление прохождения света через субволновые диафрагмы — отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения. При прохождении сквозь них света формируется так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует в основном в виде эванесцентных, то есть не распространяющихся волн, локализованных вблизи поверхности диафрагмы, а также дальняя зона, где наблюдаются лишь излучательные волны. Оценки показывают, что для света с длиной волны порядка 500 нм и диафрагмы с отверстием примерно 5 нм мощность излучения в дальней зоне составляет 10-10 от мощности падающего излучения. Поэтому, казалось бы, использование малых отверстий для построения растровых оптических изображений исследуемых образцов практически невозможно. Однако, если поместить изучаемый объект непосредственно за отверстием в ближней зоне, то вследствие взаимодействия эванесцентных мод с образцом часть энергии электромагнитного поля переходит в излучательные моды, интенсивность которых может быть зарегистрирована оптическим фотоприемником. Благодаря этому и работает БОМ.
— А что используется в качестве зонда?
— Существует несколько схем реализации БОМ. Наиболее широкое применение нашли микроскопы с зондами на основе оптического волокна, представляющего собой аксиально-симметричный волновод из материалов с отличающимися показателями преломления. Оптоволокно остро затачивают, превращая фактически в иголку, сквозь которую может проходить свет. При этом острие металлизируется таким образом, что на вершине конуса оставляется маленькое отверстие — апертура диаметром меньше длины волны. Если в оптоволокно запустить свет, он достигнет апертуры, располагаемой вблизи поверхности исследуемого материала, и образец будет через нее освещен. Фиксируя оптический сигнал, прошедший через или отразившийся от образца, а также перемещая узел, то есть проводя сканирование, мы можем получить некое изображение. Для удержания зонда на определенном расстоянии от поверхности используются те же принципы, что и в атомно-силовой микроскопии. Чаще всего применяется метод боковых сил. Оптоволокно тем или иным способом крепится к кварцевому камертону и приводится в колебательное движение. При приближении заточенной части к исследуемой поверхности амплитуда либо частота колебаний изменяются. Это изменение служит сигналом ошибки для системы обратной связи, которая помогает держать зонд вблизи поверхности на заданном расстоянии. Поскольку принципы его удержания схожи с используемыми в атомно-силовой микроскопии, при сканировании регистрируется также и топография поверхности. А дополнительный канал информации, формируемый благодаря вышедшему из зонда свету, позволяет создать массив данных, содержащий показатели интенсивности прошедшего через или отраженного от образца излучения. «Фотографию» объекта строит компьютер.
— Но как изготовить зонд, острие которого настолько мало, что его не разглядишь в обычный микроскоп?
— К примеру, следующим образом. Очищенный от защитного слоя конец оптического волокна погружается в раствор, состоящий из двух несмешивающихся жидкостей — смеси HF, NH4F, H2O, которая является травителем для кварца, и жидкости с меньшей плотностью, скажем толуола. Последний располагается поверх травителя и за счет сил поверхностного натяжения образует мениск смачивания на границе толуол-травитель-волокно. По мере травления оптоволокна происходит формирование конусообразного острия с характерными размерами меньше 30—50 нм. Затем кончик зонда покрывается тонким слоем металла. Покрытие наносится с помощью вакуумного напыления под углом порядка 30є к оси волокна, так что в области тени остается незапыленный участок малой апертуры, который и является ближнеполевым источником излучения.
— Насколько востребованы сегодня БОМ?
— Согласно закону Мура, плотность компонентов на единице площади микросхем возрастает вдвое каждые 2 года. Столь быстрый технологический рост привел к тому, что из области микроэлектроники нам уже сегодня нужно переходить в сферу нанотехнологий, оперировать наноразмерами. Соответственно, интерес к приборам типа БОМ, которые позволяют изучать материалы на наноуровне, огромен, и это направление бурно развивается. Прежде всего это, конечно, инструмент научных исследований, но и технологический также, так как дает возможность контролировать состояние и даже локально воздействовать на различные объекты. Оптика всегда была мощным средством в спектроскопии, а последняя, в свою очередь, играет большую роль в химическом анализе, поскольку по спектральным линиям определяют, какие элементы присутствуют в образце. С помощью БОМ можно выяснять химический состав вещества на очень малом пространственном промежутке. Другие технологии зондовой микроскопии такой возможности не предоставляют. Еще одно достоинство БОМ заключается в том, что если подавать через оптоволокно не постоянную засветку, а короткие импульсы, то вы получите уже не простые «фотографии», а «кино», то есть сможете отслеживать состояние объекта, его реакции на те или иные воздействия во времени. Есть и некоторые другие преимущества БОМ перед имеющимися методами исследования материалов, которые гарантируют высокую востребованность.
— Какие работы с использованием БОМ ведутся учеными Института физики им. Б.И. Степанова?
— В рамках реализации одного из проектов нами в свое время был приобретен ближнеполевой оптический микроскоп российского производства. У нас в республике, кстати, такой прибор пока единственный. Проект, посвященный исследованию металлических пленок, закончился, но интерес к изучению материалов с помощью БОМ у наших ученых остался. Сейчас, в частности, мы пробуем работать с «живыми» образцами — биологическими объектами. Силы наши невелики — этим направлением в институте занимаются лишь несколько человек, и им все приходится брать на себя, включая изготовление зондов. Но результаты обнадеживают, и я надеюсь, что вскоре наша группа сможет сделать больше. К примеру, мы пытаемся расширить возможности зондовой микроскопии в ИК-диапазоне, поскольку в этой области многие биологические объекты имеют собственные характерные линии поглощения излучения. Это позволило бы получить массу дополнительной информации о клетках. Не остались за пределами нашего внимания и более традиционные сферы применения БОМ. К примеру, занимаемся разработкой методов нанолитографии. Чтобы при этом, образно говоря, не вариться в собственном соку, сотрудничаем с коллегами из России, Швейцарии. Кстати, совместными силами ИТМО НАН Беларуси и нашего института разработана и белорусская модель ближнеполевого оптического микроскопа. В настоящее время ведутся работы по его совершенствованию и адаптации к исследованию биологических объектов.