СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ФОНОНОВ Российский патент 2016 года по МПК G01J3/28 H01S4/00 G01N21/31 

Изобретение относится к области приборостроения преимущественно к измерительной технике. Оно может быть использовано, например, в материаловедении, при исследовании энергетического спектра оптических фононов, при изучении химического состава образцов с нанометровым пространственным разрешением.

Известен способ возбуждения оптических фононов в изучаемом образце, заключающийся в том, что импульс электромагнитного излучения фемтосекундного лазера падает на поверхность активного (изучаемого) материала. Возбуждаемые при этом оптические фононы распространяются вглубь изучаемого образца, отражаются от его внутренних структурных элементов, возвращаются к поверхности, где регистрируются вторым, зондирующим импульсом фемтосекундного лазера, задержанным относительно первого на время порядка нескольких пикосекунд и имеющим ортогональную поляризацию к первому импульсу [Т.К. Cheng, J. Vidal, Н.J. Zeiger, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus and E.P. Ippen. Mechanism for displacive excitation of coherent phonons in Sb, Bi, Те, and Ti₂O₃. Appl. Phys. Lett. 59, 1923 (1991); R. Merlina. Generating coherent THz phonons with light pulses. Solid State Communications, V. 102, PP. 207-220; K.P. Cheung and D.H. Auston. Excitation of Coherent Phonon Polaritons with Femtosecond Optical Pulses. Phys. Rev. Lett. 55, 2152-2155].

К недостаткам такого способа возбуждения оптических фононов относятся:

- низкая разрешающая способность, так как размер лазерного пятна на образце составляет величину порядка 1-2 мкм;

- при возбуждении оптических фононов химические связи в исследуемом образце могут быть разрушены (например, в живой клетке).

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ возбуждения акустических колебаний в кантилевере АСМ, включающий возбуждение акустических колебаний в образце с помощью пьезоэлемента, расположенного с обратной стороны исследуемого образца [Patent №: 5,319,977, USA, Near field acoustic ultrasonic microscope system and method]. Далее, акустические колебания распространяются через образец и посредством механического контакта острие иглы кантилевера-поверхность образца возбуждают колебания кантилевера, которые регистрируются дополнительной схемой измерения и обрабатываются дополнительным контроллером, позволяя изучать вязкоупругие свойства образца.

К недостаткам такого способа возбуждения и регистрации акустических звуковых колебаний в кантилевере АСМ относятся:

- невозможность изучать свойства материалов на гиперзвуковых частотах;

- невозможность возбуждать и регистрировать оптические фононы.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении энергетического спектра оптических фононов, а также в возможности анализировать химический состав поверхности с нанометровым пространственным разрешением.

Указанный технический результат достигается тем, что способ возбуждения и регистрации оптических фононов включает в себя возбуждение активирующим импульсом оптических фононов в слое активного материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, отражение оптических фононов от границы раздела слой активного материала/поверхность образца, регистрацию отраженных оптических фононов с помощью зондирующего импульса фемтосекундного лазера в том же слое активного материала, обработку полученной информации и с помощью расчетов восстановление энергетического спектра оптических фононов в исследуемом образце. В отличие от возбуждаемых акустических фононов в АСМ наиболее близкого аналога, возбуждаемые оптические фононы, имеющие очень малую длину свободного пробега, не должны идти через объем образца, а генерируются непосредственно возле исследуемой поверхности, обеспечивая зондирование ее свойств с помощью генерируемых фононов.

Отличительным признаком предложенного способа является использование оптических фононов, генерируемых в тонком слое активного материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, с помощью активирующего импульса фемтосекундного лазера. Благодаря тесному механическому контакту тонкого слоя активного материала с исследуемым образцом энергетический спектр оптических фононов, генерируемых в нем, связан с энергетическим спектром оптических фононов исследуемого образца, а благодаря тому, что слой активного материала нанесен на острие иглы кантилевера, появляется возможность точно позиционировать место исследуемых структурных элементов на исследуемом образце.

Способ возбуждения и регистрации оптических фононов реализуется следующим образом (рис. 1). Фемтосекундный лазер 1 генерирует активирующий импульс, который возбуждает оптические фононы в тонком слое активного материала 5, нанесенного на острие 4 иглы 3 кантилевера 2. Оптические фононы частично отражаются 8 от границы раздела слой активного материала 5/поверхность образца 6, частично рассеиваются 7 в исследуемом образце 6. Благодаря этим процессам энергетический спектр оптических фононов в тонком слое активного материала 5 оказывается связанным с энергетическим спектром оптических фононов исследуемого образца 6. Измерение энергетического спектра оптических фононов в тонком слое активного материала 5 производится с помощью зондирующего импульса фемтосекундного лазера 1. Энергетический спектр оптических фононов в исследуемом образце получается после обработки результатов измерений и расчетов.

Измерение энергетических спектров оптических фононов позволяет решить многие актуальные вопросы физики конденсированных сред, молекулярной биологии, в частности исследование химического состава поверхности с нанометровым разрешением.

Способ возбуждения и регистрации оптических фононов включает в себя нанесение на острие иглы кантилевера АСМ слой активного материала. В нём производят возбуждение активирующим импульсом фемтосекундного лазера оптических фононов. Фононы отражаются от границы раздела слоя активного материала/поверхность образца. В этом же слое активного материала происходит регистрация отраженных оптических фононов с помощью зондирующего импульса фемтосекундного лазера. Далее, с помощью обработки полученной информации и расчетов происходит восстановление энергетического спектра оптических фононов в исследуемом образце. Технический результат заключается в получении энергетического спектра оптических фононов, а также в возможности анализа химического состава поверхности с нанометровым пространственным разрешением. 1 ил.

Способ возбуждения и регистрации оптических фононов, включающий в себя возбуждение активирующим импульсом фемтосекундного лазера оптических фононов в слое активного материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, отражение оптических фононов от границы раздела слой активного материала/поверхность образца, регистрацию отраженных оптических фононов с помощью зондирующего импульса в том же слое активного материала, обработку полученной информации и восстановление энергетического спектра оптических фононов в исследуемом образце с помощью расчетов, отличающийся тем, что слой активного материала, в котором возбуждаются и регистрируются фононы, нанесен на острие иглы кантилевера, а измерение энергетического спектра оптических фононов с помощью зондирующего импульса производится в тонком слое активного материала.