Новый старый микроскоп: как обмануть природу света

0
6

С изобретением оптического микроскопа люди, можно сказать, прозрели — как оказалось, от наших глаз скрыто множество удивительных вещей. Небольшой, простой в использовании прибор отлично прижился в научных лабораториях. А целый ряд усовершенствований расширил возможности «научной лошадки», позволив заглянуть с ее помощью за пределы видимого и даже под поверхность.

Работает оптический микроскоп следующим образом. Свет встроенной в него лампы падает на объект, помещенный на предметный столик, и отражается в объектив, который собирает часть расходящихся лучей в параллельный пучок. Далее свет идет вверх по тубусу микроскопа и достигает линзы окуляра, где преломляется и фокусируется на сетчатке глаза. Благодаря этому мы видим объект под увеличением.

Но каким бы оно ни было, обычный микроскоп не даст нам изображение больше, чем его разрешающая способность — главная характеристика любого оптического прибора. Она означает расстояние между двумя точками, которые можно с его помощью различить. К примеру, невооруженный глаз в лучшем случае видит объекты, находящиеся в 0,2 миллиметра друг от друга, а самый хороший оптический микроскоп — в 200-250 нанометров.

За пределами видимого

Разрешающая способность оптического микроскопа упирается в дифракционный предел — величину, которая зависит от длины волны (λ) используемого в приборе света и показателя преломления среды (n), обычно воздуха, следующим образом: dmin=λ/2n. Объектив микроскопа настроен на длину волны в видимом нам диапазоне — 400-780 нанометров, а показатель преломления в воздухе равен примерно единице, следовательно, прибор различает две точки, если расстояние между ними не менее 200 нанометров.

И все-таки разрешение оптического микроскопа можно увеличить, пойдя на хитрость. Для этого необходимо уменьшить отверстие — апертуру, через которую подсвечивают изучаемый объект, до нескольких десятков нанометров, что гораздо меньше длины волны видимого света, и на такое же расстояние приблизить предметный столик. Свет падает на объект, как-то с ним взаимодействует: отражается от его поверхности или поглощается. Далее он возвращается в зонд, где его фиксируют датчики. Чтобы получить картину всей поверхности, образец перемещают относительно зонда по какой-нибудь схеме. Световой пучок сканирует поверхность, например, змейкой, а датчики анализируют изменение коэффициента отражения или поглощения и выдают изображение. Так работает оптический микроскоп ближнего поля.

Схема работы ближнепольного оптического микроскопа© Иллюстрация . Алина ПолянинаСхема работы ближнепольного оптического микроскопа

Микроскоп заглядывает вглубь

Ближнепольный микроскоп хорош для изучения свойств полупроводниковой гетероструктуры — сердца многих электронных приборов. Физики формируют ее слой за слоем, буквально как бутерброд. Под напряжением гетероструктура излучает свет, что делает ее идеальным материалом для светодиодов и компактных лазеров. Кстати, за это открытие нашему знаменитому соотечественнику академику Жоресу Алферову присудили в 2000 году Нобелевскую премию. 

Перейти в фотобанкНобелевский лауреат Жорес Алферов в рабочем кабинете в Государственной думе © / Владимир ФедоренкоПерейти в фотобанкНобелевский лауреат Жорес Алферов в рабочем кабинете в Государственной думе

В середине гетероструктуры находится «квантовая яма». Это тонкий полупроводниковый слой, служащий ловушкой для носителей заряда — электронов и дырок. Такая конфигурация обеспечивает высокую эффективность рекомбинации — процесса испускания фотонов света, который происходит при взаимном уничтожении встречающихся электронов и дырок. Структуру характеризует движение носителей заряда в плоскости «квантовой ямы». По нему физики судят, насколько эффективно подводимое электричество преобразуется в свет и сколь долго прослужит полупроводник. 

Пример гетероструктуры светодиода© Иллюстрация . Алина ПолянинаПример гетероструктуры светодиода

Ближнепольный микроскоп напрямую измеряет расстояние, на которое разбегаются электроны и дырки, по интенсивности люминесценции. О нюансах этого метода рассказал Руслан Иванов, сотрудник отдела прикладной физики Королевского технологического института в Швеции, участвующий в разработке нового метода.

«Стандартно используют два зонда: один неподвижен и служит для локального возбуждения электрон-дырочных пар, а второй сканирует вокруг, регистрируя, какая порция носителей и как далеко может быть обнаружена. Автоматически перемещая образец относительно пары зондов, прибор строит карту распределения носителей зарядов. Два зонда сильно усложняют работу, поскольку требуют точной синхронизации, особенно когда приближаются друг к другу вплотную», — пояснил ученый.

А что если сканировать и анализировать будет один зонд? Как раз такой вариант предложил коллектив ученых из Швеции и США в недавно опубликованной статье в журнале ACS Photonics.

«Наш метод основан на сравнении распределений интенсивности люминесценции, одновременно снятых двумя способами: самим сканирующим зондом и линзой, расположенной под сканируемым образцом. В первом случае интенсивность уменьшается из-за убегающих из-под зонда носителей, во втором же никак от этого не зависит. Таким образом, нужная нам информация таится в разнице между двумя «картами» интенсивностей и может быть достаточно просто извлечена. Преимущество нового метода состоит прежде всего в том, что его можно применить для любого ближнепольного оптического микроскопа: не нужно дорогостоящих двухзондовых конфигураций и сложной настройки», — заключил один из авторов статьи Руслан Иванов.

Источник

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here