Терагерцовую микроскопию приспособили для изучения нанообъектов

Разрешение лазерной терагерцовой эмиссионной микроскопии удалось довести до 20 нанометров. Такого эффекта физики из США и Дании смогли добиться, дополнив терагерцовый микроскоп ближнепольным зондом, что повысило его разрешающую способность сразу на три порядка. Работа опубликована в ACS Photonics.

Лазерная терагерцовая эмиссионная микроскопия используется для исследования сверхбыстрой динамики носителей заряда или поляризации внутри кристалла. В основе метода лежит возбуждение с помощью фемтосекундных лазерных импульсов в материале терагерцового излучения. Исследование возбужденных при этом носителей заряда, которые двигаются с ускорением, дает информацию о локальном электрическом поле внутри кристалла. До настоящего времени пространственное разрешение такого метода ограничивалось дифракционным пределом, поэтому нельзя было исследовать объекты или области кристалла, размер которых меньше длины волны возбуждающего лазера.

В своей новой работе международная группа ученых из США и Дании предложила способ увеличить пространственное разрешение лазерного терагерцового микрооскопа, совместив его с зондом сканирующего ближнепольного микроскопа. В качестве такого зонда используется металлическая иголка с очень тонким острием. Во-первых, она ограничивает поле падающего света, что повышает разрешающую способность метода до длин меньше длины волны, а во-вторых, рассеяние света приводит к появлению оптической нелинейности в области между исследуемым образцом и кончиком иголки. В результате этого эффекта размер исследуемой области становится практически равен размеру кончика иголки, и доводит разрешение метода до 20 нанометров. Подобное совмещение ученые уже использовали для увеличения разрешающей способности инфракрасной микроскопии.

Для проверки предложенной схемы ученые совместили источник фемтосекундных лазерных импульсов длиной волны 820 нанометров с атомно-силовым микроскопом. В такой конфигурации иголка атомно-силового микроскопа одновременно выполняла и функцию ближнепольного зонда. С помощью такого устройства авторы работы получили изображение золотых наностержней, нанесенных на поверхность арсенида индия. Арсенид индия является источником терагерцовых волн, поэтому фактически такая установка позволяла совместить сразу три метода: атомно-силовую, инфракрасную и терагерцовую эмиссионую микроскопии.

Сравнение изображений, полученных разными методами, показали, что действительно разрешающая способность каждого из методов ограничивается только размером острия иголки и достигает 20 нанометров. А сравнение этих результатов с данными терагерцовой эмиссионной микроскопии в чистом виде показало, использование ближнепольного зонда улучшает разрешающую способность метода почти в тысячу раз.

По словам ученых, разработанный ими метод позволит исследовать с повышенной точностью электронные свойства самых разнообразных материалов, в частности, многослойных первоскитных солнечных батарей, эффективность которых зависит переноса заряда на межзеренных границах.

Терагерцовое излучение может использоваться не только для исследования электронных свойств различных материалов, но и для более необычных задач. Например, с помощью терагерцовой спектрометрии удается определять пол цыпленка до его вылупления из яйца. Еще одним вариантом применения терагерцового излучения является чтение закрытых книг.

Александр Дубов