Tiesioginį plazmoninės ertmės sukeltos optinės jėgos matavimą naudojant dinaminio režimo afm | mokslinės ataskaitos

Tiesioginį plazmoninės ertmės sukeltos optinės jėgos matavimą naudojant dinaminio režimo afm | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Mikrorezonatoriai
  • Nanokultūros
  • Nanofotonika ir plazmonika

Anotacija

Pastaraisiais metais plazmoninės nanostruktūros sulaukė daug dėmesio dėl jų potencialaus pritaikymo optiniuose manipuliacijose padidinant artimąjį lauką. Tęsiamos eksperimentinės pastangos, siekiant sukurti tikslius būdus, kaip tiesiogiai matuoti plazmos nanostruktūrų sukeltą artimojo lauko optinę jėgą matomame dažnių diapazone. Šiame darbe mes papasakojame apie naują dinaminio režimo atominės jėgos mikroskopijos (DM-AFM) taikymą matuojant padidintą optinę jėgą, veikiančią nano struktūros plazmoninio rezonanso ertmę. Plazmoninė ertmė yra pagaminta iš viršutinės auksu dengtos stiklo sferos ir apatinio kvarco substrato, raštuoto su daugybe aukso diskų, turinčių ilgio bangos ilgį. Netiesiniame lauke, kai rutulys yra arti disko matricos, ertmėje sužadinamas plazmoninis rezonansas, o 1550 nm ilgio infraraudonųjų spindulių lazerio sukelta jėga padidinama didumo tvarka, palyginti su fotono slėgiu, kurį sukuria ta pati lazerio šviesa. Eksperimentas rodo, kad DM-AFM yra galinga priemonė šviesos sukeltoms jėgoms tirti ir jų sustiprinimui plazmoninėse nanostruktūrose.

Įvadas

Seniai nustatyta, kad elektromagnetinė (EM) spinduliuotė daro optinį slėgį objektams. Sandariai sufokusuotas lazerio spindulys gali sukurti stiprų šviesos intensyvumo gradientą aplink židinio vietą, kurį galima panaudoti mažos dalelės gaudymui. Ši technika, plačiau vadinama optiniu pincetu 1, 2, tapo labai naudinga priemone manipuliuoti mikro arba nanometro dydžio dalelėmis ir yra plačiai naudojama 3 fizikoje, 4 chemijoje ir biologijoje 5 . Tam tikram lazerio pluoštui maksimalią optinę jėgą (arba slėgį), kurią gali patirti dalelė, riboja šviesos intensyvumas ir lazerio bangos ilgis arba intensyvumo gradientas. Be to, lazerio židinio dydį riboja difrakcija. Norint visapusiškai išnaudoti turimus fotonus ir padidinti efektyvumą, kuris yra būtinas programoms, reikia veiksmingesnio būdo. Kaip efektyvus būdas perdirbti fotonus buvo naudojamos optinės rezonansinės ertmės, tokios kaip šnabždesio galerijos ertmė ir Fabry-Peroto ertmė, kuriose fotonai gali kelis kartus peršokti į priekį tarp ertmės sienų 6 . Daugelyje įprastų optinių ertmių naudojami paprasti metaliniai paviršiai.

Neseniai nanostruktūrose esantys paviršiaus plazmonai (SP) sulaukė vis didesnio mokslo ir technologinio susidomėjimo. Dėl stipraus vietinio lauko patobulinimo SP yra svarbūs pritaikymai šviesos izoliacijoje, netiesinėje optikoje ir optiniuose jutikliuose 7 . Nuo tada, kai atsirado metamaterija 8, SP taikymo sritis taip pat išplėsta į kai kurias naujas sritis, tokias kaip neigiama refrakcija 8, supervaizdavimas 9 ir maskavimas 10 . Nanostruktūrinių EM rezonansinių elementų dizainas išplečia mūsų galimybes geriau valdyti fotonus ir valdyti šviesą. Paprastai kuriant metamaterialus daugiausia dėmesio buvo skiriama šviesos sklidimo savybių valdymui. Tačiau gerai žinoma, kad EM rezonansai gali žymiai padidinti vietinio lauko intensyvumą, kuris yra tiesiogiai prijungtas prie sukeltos optinės jėgos. Pastaruoju metu buvo dedama daug pastangų kuriant naujas metamaterijas, skirtas realizuoti optinės jėgos stiprinimo įtaisus 11, 12, 13, 14 . Iš eksperimento pusės buvo stengiamasi nustatyti tikslius metodus, kuriais tiesiogiai matuojama plazmoninių nanostruktūrų sukelta artimojo lauko optinė jėga matomame dažnių diapazone 15, 16, 17, 18 . Naujų eksperimentinių priemonių kūrimas yra būtinas norint realizuoti galimas programas.

Atominės jėgos mikroskopija (AFM), matuojanti sąveikos jėgą tarp nano mastelio skydinės antgalio ir 19, 20 mėginio, yra optimizuota didelės skiriamosios gebos jėgos matavimui. Jis buvo naudojamas matuoti van der Waals jėgas 19, Kazimiero jėgas 21, 22, vienos molekulės tempimo ir trūkimo jėgas 23, 24 ir optines jėgas 15, 25 . Tai yra ideali priemonė labai tiksliai matuoti optinę jėgą, kurią sukelia nanostruktūros metamaterjaliai. AFM galima valdyti tiek statiniu, tiek dinaminiu režimu. Dinaminiame režime (DM-AFM), veikiant išorinei svyravimo jėgai, be statinės įlinkio 20, 26, stebima informacija apie konsoles svyravimus. Kaip jautraus jėgos aparatas, DM-AFM gali išmatuoti optines jėgas su minimalia lazerio galia ir taip sumažinti nepageidaujamus efektus, susijusius su didele lazerio galia, pavyzdžiui, netiesinius optinius efektus ir stiprius foto-šiluminius efektus.

Šiame darbe mes papasakojame apie naują DM-AFM pritaikymą matuojant padidintą optinę jėgą, veikiančią nanostruktūrizuotą plazmoninio rezonanso ertmę, esant beveik infraraudonųjų spindulių bangos ilgiui ( λ = 1550 nm). Kaip parodyta 1 pav., Tiriamą vertikaliai orientuotą optinę ertmę sudaro dvi dalys. Viršutinis ertmės paviršius pagamintas iš auksu dengtos stiklinės sferos, kurios spindulys R ≈ 15 μm, ir yra priklijuotas ant stačiakampio konsolelio pluošto priekinio galo. Apatinis ertmės paviršius yra plokščia kvarco plokštelė, padengta periodiniu aukso diskų, turinčių ilgio bangą, masyvu. Intensyvumo moduliuotas lazerio spindulys patenka į ertmę iš apatinės plokštės ir viršutinei sferai sukuria virpamąją optinę jėgą. Naudodami DM-AFM kartu su fazėms jautriu užrakinimo stiprintuvu, mes galime pastebėti didelį optinių jėgų padidėjimą, kai ertmės rezonansą sužadina infraraudonųjų spindulių lazeris, kurio fiksuotas bangos ilgis yra 1550 nm, su skirtingu ertmės atskyrimu r ir auksu. disko dydis d . Tarp eksperimento rezultatų ir skaitmeninių modeliavimo pavyko gerai sutapti.

Image

a ) Eksperimentinės optinės ertmės ir dinaminio režimo AFM eskizas. b ) Skenuojamo elektroninio mikroskopo (SEM) vaizdas, kuriame pavaizduotas stačiakampio formos konsoles vaizdas iš apačios į priekį, priklijuoto auksu dengta stiklo rutuliu. c ) AFM vaizdas, kuriame pavaizduotas periodiškas aukso diskų, kurių skersmuo d = 650 nm, masyvas ant kvarco pagrindo. Žiūrėjimo plotas yra 5 × 5 μm 2 .

Visas dydis

Rezultatai

Optinės jėgos matavimas naudojant DM-AFM

Eksperimente optinė jėga matuojama naudojant DM-AFM. Intensyvumo moduliuota optinė jėga f o ( t ) = F o cos ( ω ′ t ), kur ω ′ yra lazerio intensyvumo moduliacijos dažnis, sukelia lanksčiosios konsoles pluošto lenkimą ir sferos vertikalų poslinkį z ( t ) (≡). vertikalioji konsolerio deformacija) gerai aprašyta Langevino lygtimi 27, 28,

Image

čia m yra faktinė rutulio- konsolerio sistemos masė, ξż ( t ) žymi rutulio pasipriešinimo jėgą, kai ξ yra trinties koeficientas, kz ( t ) yra tamprioji jėga, atsirandanti dėl konsoles lenkimo su spyruokline konstanta. k , o f B ( t ) yra atsitiktinė Bruno jėga, atsirandanti dėl šiluminių svyravimų. Nors vidutinė f B ( t ) vertė yra lygi nuliui, jos autokoreliacijos funkcija C ( τ ) yra 29 forma,

Image

, kur k B T yra sistemos šiluminė energija, o δ ( τ ) yra δ funkcija. Galima analiziškai išspręsti ekvivalentą. (1) dažnio srityje ir gaukite galios spektro tankį (PSD) 30,

Image

kur ω 0 = ( k / m ) 1/2 yra rutulio konsoles sistemos mechaninis rezonansinis dažnis, o ω = 2π f - kampinis dažnis, gaunamas išmatuoto laiko kintamojo konsoles signalo Furjė transformacijos. Atkreipkite dėmesį, kad dažnis ω yra kintamasis vienetais. (2), kuris skiriasi nuo (fiksuoto) lazerio moduliacijos dažnio ω .

2 paveiksle parodytas išmatuotas PSD | z ( ω ) | 2 kaip function funkcija, kuri gaunama optinėje ertmėje, kai artimiausias atstumas r tarp rutulio paviršiaus ir aukso diskų paviršiaus yra lygus 1 μm. Toliau mes vadiname r kaip ertmės atskyrimą. Išmatuotas | z ( ω ) | 2 parodytas rezonansinis smailis, kurio centras ω 0   = 43, 8 kHz kartu su aštriu smaigaliu, atsirandančiu dėl auksu dengto stiklo rutulį veikiančios optinės jėgos, kuri yra moduliuojama pagal dažnį ω ′ = 56, 51 kHz ( f ′)   = 9 kHz). Tvirta linija yra tinkama Eq. (2), kai m = 3, 46 × 10 –8 g, ω 0   = 43, 79 kHz, o ξ = 4, 64 × 10 –8 Ns / m. Eksperimento rezultatas gerai suderinamas su Eq. (2), patvirtinantį, kad konsolių sistemos judėjimą iš tikrųjų gali apibūdinti Eq. (1).

Image

Matuojama atliekant plazmoninę rezonansinę ertmę su periodiniu aukso diskų, kurių skersmuo d = 300 nm, rinkiniu. Ertmės atskyrimas yra r = 1 μm, o intensyvumo moduliacijos dažnis yra ω ′ = 56, 51 kHz ( f ′ = 9 kHz). Tvirta linija yra tinkama Eq. (2), kai m = 3, 46 × 10 –8 g, ω 0 = 43, 79 kHz ir ξ = 4, 64 × 10 –8 Ns / m.

Visas dydis

Filtruodami Brownian triukšmą f B ( t ), taip pat galite naudoti užrakto stiprintuvą, kad tiesiogiai matytumėte varomojo harmoninio generatoriaus signalą iš Eq. (1) laiko srityje 20, 26, z ( t )   = Acos ( ω ′ t + φ ), kur poslinkio amplitudė A ir fazės uždelsimas φ yra du eksperimente išmatuojami dydžiai. Jėgos amplitudę F o galima apskaičiuoti naudojant:

Image

kur m , ω 0 ir ξ galima išmatuoti PSD. Atkreipkite dėmesį, kad dėl skysčio (oro) dinaminės sąveikos ertmės tarpelyje ξ padidės mažėjant r, kai r tampa mažas 30 . Todėl svarbu tiksliai išmatuoti PSD kaip r funkciją artimojo lauko srityje ir naudoti ekv. (3) norint gauti jėgos amplitudę F o .

Mažiausią jėgą, išmatuojamą DM-AFM, riboja išmatuotas PSD ir dažnių juostos plotis Δ B sistemoje 31 . Iš Eq. (2), randame

Image

kur Δ B = 7, 8125 Hz yra juostos plotis, kurį nustato fiksuojamasis stiprintuvas, o Q = ω 0 m / ξ (≈33) yra konsoles sistemos kokybės koeficientas. Naudodamiesi ek. (4) ir tvirtinimo parametrus, gautus iš 2 pav., Mes nustatome, kad mūsų DM-AFM jautrumas jėgai yra F min ≈ 70 fN. Eksperimente mes išmatuojame optinę jėgą ~ 2 pN lygiu (daugiau informacijos žr. Skyrių apie Netiesinio lauko optinės jėgos stiprinimą), kai integracijos trukmė yra 0, 1 sekundės, ir galime lengvai gauti jėgos signalus, kai sumažėja įvesto lazerio galia. koeficientu 10 (iki 0, 1 mW). Todėl tikrasis mūsų jėgos matavimo jautrumas yra geresnis nei 0, 2 pN, o tai nėra labai toli nuo aukščiau pateikto teorinio įvertinimo - 0, 1 pN. Esant tokioms pačioms sąlygoms, mes nustatome, kad mūsų statinio režimo AFM jautrumas yra ~ 16 pN. Todėl DM-AFM jautrumas padidėja 80-iai.

Plazmoninės rezonansinės ertmės ir modeliavimo rezultatai

Ankstesni teoriniai tyrimai 12, 13 parodė, kad ertmės rezonansas atsiranda, kai vienu metu įvykdomos dvi atskiros sąlygos disko dydžiui d ir ertmės atskyrimui r . Pagal analogiją su pusės bangos ilgio dipoline antena vieno disko plazmoninis rezonansas gali būti sužadinamas, kai d yra šiek tiek mažesnė už pusę bangos ilgio. Tuo pačiu metu r vertė turi būti pakankamai maža, kad ertmėje būtų stipri jungtis su dideliu EM energijos tankiu. Kita vertus, r negali būti per mažas, nes jis sumažins EM energiją, saugomą ertmėje, arba netgi trumpins grandinę. Paprastai r vertė esant rezonansui yra dešimties nanometrų diapazonas 12, 13 . Šie du parametrai eksperimente keičiami atskirai.

Atliekame skaitmeninį indukuoto elektrinio ir magnetinio lauko pasiskirstymo skaičiavimus eksperimente naudojamos plazmoninio rezonansinės ertmės viduje, kaip parodyta 3 pav. (A, b). Nuo apatinio kvarco substrato su E y poliarizacija yra plokštuminė banga, kurios bangos ilgis λ = 1550 nm. Dviejuose nano disko kraštuose aptinkamas labai stiprus priešingo ženklo E z laukas, rodantis, kad per nano diską susidaro stiprus svyruojantis elektrinis dipolis. Šis svyruojantis elektrinis dipolis kartu su jo atvaizdo dipoliu, suformuotu viršutinėje aukso plokštelėje, sukelia elektrinį trauką tarp nano disko ir aukso plokštės, kai ertmės atskyrimas r yra pakankamai mažas. Kita vertus, magnetinis laukas yra sutelktas ertmės centre, atsirandantis dėl antiparallelių srovių, esančių tarp nanodalelio ir aukso plokštės, ir sukeliama atstumianti jėga. Tačiau dėl lauko prasiskverbimo ir medžiagų praradimo aukse magnetinio lauko padidėjimas yra mažesnis nei elektrinio lauko. Taigi tikimasi grynosios patraukliosios jėgos 12 . Tiek elektrinio, tiek magnetinio lauko amplitudės ertmėje yra padidintos daugiau kaip 10 kartų, palyginti su maksimalia nerezonanso lauko reikšme toje pačioje ertmėje.

Image

Į plazmonikos ertmę iš apatinio kvarco substrato patenka plokščiosios bangos infraraudonųjų spindulių lazerio šviesa, λ = 1550 nm. Nano disko skersmuo yra d = 380 nm, jo ​​aukštis τ = 16 nm, o ertmės atskyrimas nustatytas ties r = 30 nm. Vienetinė ląstelė yra 580 nm. Spalvota juosta rodo lauko stiprumą, normalizuotą pagal didžiausią lauko stiprį, gautą, kai lazerio šviesa, kurios bangos ilgis λ = 635 nm, patenka į nerezonansinę ertmę. c ) Apskaičiuotas indukuotosios optinės jėgos, veikiančios viršutinę aukso plokštę, padidinimo koeficientas E , palyginti su jo nerezonanso verte, kaip ertmės, skiriančios r ertmę, kurios aukso disko dydis d = 380 nm, atskyrimo r funkcija. Tvirta linija nubrėžta nukreipti akį.

Visas dydis

Kartu su padidintais elektriniais ir magnetiniais laukais ertmėje, ertmės viduje kaupiasi stipri EM energija U. Aukštos kokybės rezonansinės ertmės, mažos atskyrimo r , ertmės sienele veikianti padidinta optinė jėga yra - dU / dr . Panašiai kaip toliau aprašomas eksperimentas, lazerio bangos ilgį fiksuojame λ = 1550 nm ir modeliavime kintame r ir d ir ieškome optimalios konfigūracijos, kad didžiausias indukuotos optinės jėgos padidinimo koeficientas E būtų viršuje. aukso plokštelė, atsižvelgiant į jos nerezonanso vertę. Kaip parodyta 3 pav. (C), ertmės, kurios aukso disko dydis d = 380 nm, stiprus rezonansas nustatomas esant r = 30 nm. Apskaičiuota E vertė pradeda sparčiai didėti, kai atskyrimas r tampa mažesnis kaip ~ 100 nm ir pasiekia didžiausią E ≈ 50 vertę, kai r = 30 ± 5 nm. Panašiam nustatymui buvo numatytas panašus optinės jėgos padidėjimas 12 .

Realiame eksperimente, užuot naudoję vieną nano diską, kurį eksperimentiniu būdu sunku suderinti su konsolės pagrindu, mes naudojame periodinį nano diskų rinkinį kartu su dideliu auksu dengtu stiklo rutuliu viršuje, sudarydami N lygiagrečius nano- disko ertmės. Dėl to visa viršutinėje sferoje išmatuota jėga bus N atskirų nano disko ertmių sukeltos jėgos suma, darant prielaidą, kad šoninis sujungimas tarp kaimyninių nano diskų yra nereikšmingas. Iš tiesų, 3 pav. Paaiškėja, kad elektriniai ir magnetiniai laukai ertmėje greitai suyra, o absoliuti jų vertė 100 nm atstumu nuo nanodalelių yra minimali. Remdamiesi šiuo modeliavimu, mes suprojektuojame periodinį nano diskų rinkinį su 200 nm atstumu tarp nano diskų, užtikrindami, kad elektrinių ir magnetinių laukų sutapimas nuo kaimyninių nano diskų yra nereikšmingai mažas bangų ilgių diapazone, kuriame mes esame. suinteresuotas. Eksperimente tipinė N vertė yra ~ 100 nanodalelių masyvui, kurio d = 625 nm.

Išmatuota optinė jėga nerezonansinėse ertmėse

4 (a, b) paveiksluose atitinkamai parodyta išmatuota poslinkio amplitudė A ir fazės uždelsimas φ kaip ertmės atskyrimo r funkcija . Jie matuojami infraraudonųjų spindulių lazeriu, kai apatinis ertmės paviršius pakeičiamas paprasta kvarco plokštele, ant kurios nėra aukso disko. Matoma, kad A ir φ reikšmės išlieka pastovios, keičiantis r vertėms, išskyrus atvejus, kai stiklo rutulys liečiasi su kvarco substratu ( r ~ 0). Esant tokiai konfigūracijai, infraraudonųjų spindulių lazerio spindulys eina per nekintančią kvarco plokštę ir tiesiogiai trenkiasi į auksu dengtą sferą, o išmatuota jėga F o yra paprasčiausias įprastinis optinis slėgis auksu dengtoje sferoje. F o vertė yra proporcinga lazerio intensyvumui ir neturi priklausomybės nuo r . Taigi 4 (a, b) pav. Parodo tipišką A (arba F o ) ir behavior elgesį nerezonuojančioje ertmėje.

Image

Lazerio moduliacijos dažnis yra nustatytas ω ′   = 56, 51 kHz, artimas rezonansiniam dažniui ω 0 (   = 43, 79 kHz) konsoles sistemos, kad matuojamas kintamasis signalas būtų gaunamas esant mažam lazerio intensyvumui (~ 1 mW). A vertės gaunamos dviem būdais. Raudoni apskritimai gaunami integruojant išmatuotą galios spektrą | z ( ω ) | 2 ir tvirtos linijos gaunamos naudojant DM-AFM su užrakinimo stiprintuvu. Matavimai atliekami, kai stiklinė sfera artėja (kai r <0) arba traukiasi (kai r > 0) nuo apatinio ertmės paviršiaus pastoviu greičiu V = 100 nm / s. ( a ) ir ( b ) ertmėje, sudarytoje tarp auksu dengtos stiklo sferos ir paprastos kvarco plokštės, kuri nesukelia jokio rezonanso, yra naudojama infraraudonųjų spindulių lazerio spinduliu, kurio bangos ilgis λ = 1550 nm. c ) ir d ) suderinto raudonojo lazerio pluošto bangos ilgis λ   = 635 nm naudojamas plazmoninio rezonanso ertmėje (kai λ = 1550 nm), o aukso disko skersmuo d yra nuo 300 nm iki 750 nm. e ) ir f ) plazmoninio rezonanso ertmėje naudojamas infraraudonosios spinduliuotės lazerio pluoštas, kurio bangos ilgis λ = 1550 nm, o diapazonas yra nuo 300 nm iki 750 nm. g ) ir h ) Padidinti A amplitudės ir fazės delsos φ brėžiniai, parodyti e ir f punktuose, beveik užpildytoje srityje, kurios d vertės diapazonas yra nuo 300 nm iki 750 nm.

Visas dydis

Kaip minėta aukščiau, plazmoninio rezonanso ertmė su periodiniu aukso diskų rinkiniu yra skirta infraraudonųjų spindulių šviesai, kurios bangos ilgis λ = 1550 nm. Kai lazerio šviesa, kurios bangos ilgis nesiekia numatyto bangos ilgio, apšviečia ertmę, nesitikima jokio plazmoninio rezonanso efekto. 4 paveiksle (c, d) parodyti atitinkamai išmatuoti A ir φ kaip r funkcija, kai lygiagretus raudonasis lazeris, kurio bangos ilgis λ = 635 nm, patenka į aukso diskų masyvą. Kintant aukso disko skersmeniui d nuo 300 nm iki 750 nm, pastebime, kad išmatuoti A ir φ išlieka pastovūs ir rezonanso efektas nerastas, kaip tikėtasi.

Išmatuota optinė jėga plazmoninio rezonanso ertmėse

Paveikslėlyje 4 (e, f) pavaizduoti atitinkamai pakartoti A ( r ) ir φ ( r ) matavimai tam pačiam aukso diskų rinkiniui, kuris buvo naudojamas 4 pav. (C, d), tačiau su lygiavimo raudonuoju lazeriu. pakeičiamas infraraudonuoju lazeriu, kurio bangos ilgis λ = 1550 nm. 4 paveikslas (g, h) rodo padidintus išmatuotų A ( r ) ir φ ( r ) brėžinius, parodytus 4 pav. (E, f) beveik užpildytoje srityje. Palyginti su 4 pav. (C, d), išmatuoti A ( r ) ir φ ( r ) rodo keletą naujų įdomių savybių. i) Tolimame lauke su atskyrimu | r | > 3 μm, išmatuotas A skirtingoms d reikšmėms labai skiriasi. Taip yra todėl, kad raštuoto pagrindo perdavimo koeficientas T ( d ) labai priklauso nuo aukso disko skersmens d (žr. Daugiau diskusijų žemiau). Dėl to išmatuotas A , proporcingas lazerio intensyvumui, patenkančiam ant auksu dengtos stiklo sferos, kinta su d . ii) kai d diapazonas yra 600–700 nm, išmatuotas A ( r ) svyruoja r, o svyravimo periodas yra kartojamas iš pusės bangos ilgio. Šis elgesys rodo, kad lazerio spindulys atsispindi pirmyn ir atgal tarp auksu dengtos sferos ir aukso disko matricos, sudarančios Fabry-Peroto ertmę. iii) artimame lauke su ertmės atskyrimu | r | <0, 5 μm, o kai d diapazonas yra 625 ± 25 nm, A vertė greitai didėja, kai | r | mažėja. Šis poveikis rodo, kad vietinis šviesos intensyvumas šalia aukso diskų, kurių d diapazonas yra 625 ± 25 nm, yra žymiai padidėjęs, tai yra plazmoninės ertmės rezonansinis atsakas. Ertmėms, kurių d diapazonas yra 250–500 nm (kai kurių kreivių aiškumas nepavaizduotas), jos yra rezonansinės, palyginti su naudojamu infraraudonųjų spindulių lazeriu. Tos ertmės, kurių tarpiniai diapazonai yra d ( d <600 nm ir d > 650 nm), yra skirtinguose dalinio rezonanso lygiuose, atsižvelgiant į tai, kaip arti jos yra rezonanso sąlygos. (iv) Fazių skirtumas tarp moduliuoto lazerio ir konsole mechaninio atsako φ ( r ) taip pat skiriasi priklausomai nuo d . Norėdami toliau suprasti išmatuoto A ( r ) ir φ ( r ) rezonansinį elgesį, dabar analizuojame tolimojo lauko ir beveik užpildytus atsakymus atskirai.

Tolimojo lauko optinė jėga ir optinio modelio pagrindo perdavimas

Norėdami ištirti raštuoto substrato optinio perdavimo poveikį optinėms jėgoms, išmatuojame skirtingų raštuotų substratų perdavimo koeficientą T ( d ), naudodami standartinį Furjė transformacijos infraraudonosios spektroskopijos (FTIR) 41 metodą. 5 paveiksle parodytas išmatuotas T ( d ) (raudoni apskritimai) kaip d funkcija, kai infraraudonosios spinduliuotės bangos ilgis λ = 1550 nm. Norėdami palyginti rezultatus su DM-AFM matavimais, apskaičiuojame normalizuotą poslinkio amplitudę A ′ 1550 ( d ).   = A ( d ) / A 0 (juodi kieti kvadratai), kai r = 4, 8 μm, o A 0 yra poslinkio amplitudė, gauta naudojant nerezonansinę ertmę, kaip parodyta 4 pav. Matoma, kad DM-AFM išmatuotas A ′ 1550 ( d ) gerai sutampa su FTIR išmatuotu T ( d ). Mažiausia A ′ 1550 ( d ) vertė yra ~ 0, 16, kai d = 700 nm, o tai atitinka skaitmeninį perdavimo koeficiento (žalių deimantų) apskaičiavimą. Taigi 5 paveikslas patvirtina, kad išmatuoto A pokyčius tolimame lauke iš tikrųjų lemia T ( d ) kitimas su d . Perdavimo minimumą sukelia aukso diskų, kurių spindulys ( d = 700 nm) yra šiek tiek mažesnis nei pusė bangos ilgio, plazmoninio dipolio režimo sužadinimas.   = 775 nm).

Image

Tvirta linija nubrėžta nukreipti akį. Klaidų juostos rodo matavimų standartinį nuokrypį. Žali deimantai gaunami skaičiuojant perdavimo koeficientą. Taip pat parodyta normalizuota poslinkio amplitudė A ′ 635 ( d ) (mėlyni kieti trikampiai), gauta tose pačiose plazmoninio rezonanso ertmėse, tačiau infraraudonųjų spindulių lazerio šviesą pakeitus suderintu raudonu lazerio spinduliu, kurio bangos ilgis λ = 635 nm.

Visas dydis

Palyginimui, 5 pav. Taip pat pavaizduota normalizuota virpesių amplitudė A ′ 635 ( d ) (mėlyni kieti trikampiai), gauta toje pačioje ertmėje, tačiau kritusį lazerį keičiant suderintu raudonu lazeriu, kurio bangos ilgis λ = 635. nm. Kaip minėta, raudonasis lazeris nesužadina aukso diskų plazmoninių dipolių. Dėl to išmatuotasis A ′ 635 ( d ) yra didelis (≈0, 92) ir išlieka nepakitęs d, kaip tikėtasi. Šis rezultatas taip pat patvirtina, kad išmatuoto A ′ 1550 ( d ) [ir T ( d )] pokyčiai nėra sąlygoti pokyčio ploto dalyje, kurią periodiškai užima aukso diskai ant pagrindo. Jie greičiau atsiranda dėl plazmoninių bangų rezonansinio sužadinimo raštuotame paviršiuje.

Tolimojo lauko fazės uždelsimas ir šiluminis poveikis

Nors šiluminiam efektui sumažinti mes panaudojome mažą lazerio galią (~ 1 mW), vis dėlto jis turi išmatuojamą DM-AFM. Ilgas stačiakampis kūgio formos pluošto pluoštas yra ypač jautrus nedideliam temperatūros svyravimui aplinkoje arba dėl tiesioginio lazerio šviesos sugerties, kuris sukelia nevienodą šiluminį plėtimąsi ir lenkimą išilgai spindulio. 25, 32, 33 . Nors termiškai sulenktas lenkimas pagerinamas uždengiant ploną aukso sluoksnį ant antdėklio, kad padidėtų jo atspindėjimas ir sumažėtų tiesioginė lazerio šviesos absorbcija (žr. Išsamią informaciją skyriuje „Metodai“), vis tiek išlieka liekamoji šiluminė reakcija į moduliuotą lazerio šviesą. . Dėl to skydinės sijos lenkiamas virpesys, tarsi, be optinės jėgos, prie jos būtų daroma ir kintamoji šiluminė jėga. Kaip bendras kintamosios srovės atsakas, termiškai sukeltas virpesių lenkimas gali būti fenomenologiškai modeliuojamas taip:

Image

, su dviem laisvais parametrais; viena yra „šiluminės jėgos“ F T amplitudė, kita - fazės vėlinimas φ T tarp sukeltos šiluminės jėgos ir matuojamos optinės varomosios jėgos. Bendra jėga F, veikianti ant konsolės, gali būti užrašoma taip:

Image

, kuris parodytas grafiškai 6 pav., ši lygtis gali būti perrašyta sudėtinga forma,

Image

Matavimai atliekami tolimajame lauke, kai r = 5 μm (juodi kvadratai), ir artimame lauke, kai r = 30 nm (mėlyni trikampiai). Tvirta linija brėžiama per juodus kvadratus, kad nukreiptų akį. Klaidų juostos rodo matavimų standartinį nuokrypį. Įvade pavaizduota visos jėgos F, atsirandančios iš dviejų jėgų F o ir F T, vektoriaus suma, kai fazės uždelsimas φ T. Raudoni apskritimai yra apskaičiuotos Δ φ vertės, naudojant Eq. (5), kurio pastovioji vertė α = ( F T / F o ) T ( d ) = 0, 17.

Visas dydis

Image

Aukščiau, F o yra optinės jėgos amplitudė, o minuso ženklas naudojamas patogumui, nes F T gali būti teigiamas arba neigiamas.

Eq yra penki parametrai. (5), tarp kurių F išmatuotos skirtingos d vertės, o F o tolimajame lauke yra proporcingas išmatuotam T ( d ), kaip parodyta 5 pav. Iš mūsų skaitinių modeliavimų mes pastebime, kad daugiausia šilumos gaminama apatine raštuota plokštele, nes jos absorbcija (~ 8%) yra daug didesnė nei viršutinio aukso sluoksnio (<1%). Be to, nustatyta, kad apatinio nanostruktūros substrato optinė absorbcija yra beveik vienoda visų aukso diskų dydžių atžvilgiu. Stebėtus perdavimo pokyčius, kaip parodyta 5 pav., Daugiausia lemia nanostruktūros pagrindo atspindys, keičiant disko dydį d . Taigi manome, kad F T yra konstanta, nepriklausanti nuo d . Norėdami įvertinti φ T vertę, darome prielaidą, kad fazės vėlavimą pirmiausia sukelia moduliuoto lazerio kaitinimas iš apatinės raštinės plokštės, kuri turi didžiausią adsorbciją, į viršutinę konsoles. Remdamiesi rezonansinės ertmės geometrija ir įvertintu temperatūros skirtumu, mes pastebime, kad sistemos Rayleigh skaičius yra labai mažas ( Ra ≈ 2, 5 × 10 −5 ), tai rodo, kad oro konvekcija ertmės viduje yra nereikšmingai maža, o šiluma daugiausia perduodama laidumu 34 . Dėl to fazės uždelsimas φ T gali būti užrašytas kaip φ T ≈ ωτ 0, kur τ 0 yra šiluminės difuzijos laikas ore nuo apatinio raštuoto paviršiaus iki viršutinio auksu dengto konsolerio pluošto. Atsižvelgiant į mūsų sąrankos geometriją, nustatome, kad T = 64, 8 o, kai r = 5 μm. Esant fiksuotai φ T vertei, galima apskaičiuoti Δ φ (ir F / F o ) naudojant ekv. (5) tik su vienu montavimo parametru, F T / F o   = α / T ( d ), esant skirtingoms d vertėms, ir palyginkite rezultatus su tiesiogiai išmatuotu Δ φ .

6 paveiksle parodytas išmatuotas fazės poslinkis Δ φ = φ ( d ) - φ ( d = 250 nm) kaip d funkcija, kur φ ( d = 250 nm) yra nerezonuojanti pamatinė fazė, gauta esant d = 250 nm. Raudoni apskritimai yra apskaičiuojami Δ φ, naudojant dvigubos jėgos modelį, išreikštą ekvivalentu. (5), kurio pastovioji vertė α = 0, 17. Tuo pačiu montavimo parametru α mes galime atkurti pagrindinį išmatuoto Δ φ bruožą tolimajame lauke (raudoni apskritimai ir juodi kvadratai 6 pav.). Taigi 6 paveikslas parodo, kad mūsų prielaida apie φ T fenomenologiniu lygiu yra tinkama apibūdinti tolimojo lauko duomenis ( r > 3 μm). 1 lentelėje išvardijame gautas F o / F T ir F o / F vertes skirtingiems disko šablonams. Matoma, kad F o / F T vertė skiriasi nuo 5 iki 1 skirtingoms d reikšmėms, tačiau gautos F o / F vertės išlieka artimos vienybei, tai rodo, kad išmatuota bendra jėga F gali būti maždaug traktuojama kaip optinė jėga paprastumui. Pagrindinė šiluminio efekto pasekmė mūsų sistemoje yra fazės vėlavimas į konsolerio kintamąjį kintamąjį, nedarant didelės įtakos išmatuotai optinės jėgos amplitudei.

Pilno dydžio lentelė

Artimo lauko optinės jėgos stiprinimas

7 paveiksle parodyta optinė jėga F ′, normalizuota perduodant kaip ertmės atskyrimo funkciją r, kuri gaunama plazmoninio rezonanso ertmėje su skirtingais aukso disko skersmenimis d . Čia F ′ yra apibrėžiamas kaip F ′   = F o T ( 625 ) / T ( d ), kur F o gaunamas išmatuotos virpesių amplitudės A, naudojant Eq. (3) su parametrais m , ω 0 ir ξ, gautais išmatuoto PSD | z ( ω ) | 2 . F o vertės normalizuojamos santykiu T ( d ) / T (625), kur T (625) yra išmatuoto perdavimo koeficientas, kai d = 625 nm, kai išmatuotas F o rodo didžiausią padidėjimą. Tolimojo lauko srityje ( r > 3 μm) nėra ertmės rezonanso, o auksu dengta stiklo sfera, esanti toli nuo nanodalelių matricos, jaučia tik gaunamą šviesą iš kitos ertmės sienos, ty perduodamą šviesa per nano-diskų masyvą. Šiuo atveju stiklinę sferą veikianti optinė jėga atsiranda tik dėl įprasto optinio slėgio, kuris yra proporcingas perduodamai šviesai į ertmę. Kaip parodyta 7 pav., Normalizavus transmisiją, visos optinės jėgos tampa lygios r > 3 μm. Tačiau artimojo lauko srityje ( r <0, 5 μm) ertmės rezonansas tampa ryškesnis. Šiuo atveju išmatuota F ′ nebebus proporcinga perduodamai šviesai ir rodo didelius svyravimus tiek r, tiek d . Tai ertmės rezonanso ženklas, aiškiai parodytas 7 pav. Matoma, kad d = 625 nm, stipriausia jungtis, taigi ir didžiausia optinė jėga, pasiekiama esant r = 30 nm.

Image

Matavimai atliekami plazmoninėje rezonansinėje ertmėje, kurios aukso disko skersmuo d yra nuo 300 nm iki 750 nm. Kietos linijos nubrėžtos taip, kad nukreiptų akis. Juodi kieti apskritimai (su punktyrine linija) rodo išmatuotą fono jėgą, veikiančią AFM konsoles.

Visas dydis

Eksperimente naudojamas lazerio pluoštas, kurio skersmuo ~ 190 μm, siekiant užtikrinti, kad kiekvieno matavimo metu rutulys būtų lengvai išlygintas Gauso lazerio spindulio centre, o fokusuotas pluoštas nesiskirstytų per vertikalųjį ~ 5 μm atstumą. Dėl to dalis lazerio spindulio patenka tiesiai į AFM konsoles, nepraeinant pro rezonansinę ertmę. Ši lazerio pluošto dalis konsolei daro optinį slėgį, sukurdama foninę optinę jėgą išmatuotajai F ′, nepriklausomai nuo r . Norėdami išsamiau ištirti šį poveikį, mes atliekame palyginamąjį optinės jėgos matavimą, auksu dengtą stiklo sferą pakeisdami nepadengta to paties dydžio stiklo sfera. Kadangi nepadengta stiklo rutulys yra skaidrus, sistema neturi jokio rezonanso efekto. Tokiu būdu išmatuojama tik fono jėga, veikianti auksu dengtos konsoles. Juodi kieti apskritimai (punktyrine linija) 7 pav. Rodo nepadengto stiklo rutulio išmatuotą optinę jėgą, kurios vidutinė vertė yra pastovi (= 1, 95 pN), nepriklausanti nuo ertmės atskyrimo r . Sistemoje nepastebėta jokio jėgos padidėjimo, dar kartą patvirtindama, kad optinę jėgos padidėjimą, kaip parodyta 7 pav., Iš tikrųjų sukelia rašytinė plazmoninio rezonanso ertmė. Dėl optinių ertmių, kurių d = 300 nm ir d = 500 nm, nes jos neturi rezonanso, gautos F ′ vertės išlieka nekintamos r atžvilgiu ir yra šiek tiek didesnės už foninę jėgą, kaip tikėtasi. Pašalindami r- nepriklausomą foninę jėgą iš išmatuotos F ', eksperimentinio rezonanso sąlygomis randame padidinimo koeficientą E , kai λ = 1550 nm, d = 625 nm, o r = 30 nm yra E = (7.90–1.95) / ( 2.28–1.95)   = 18, atsižvelgiant į nerezonansinę vertę.

Diskusijos

Palyginę 7 ir 3 (c) paveikslus, pastebime, kad išmatuotas F ′ ( r ), kai d = 625 nm, seka ta pačia tendencija kaip ir modeliavimo kreivė, ir abiem atvejais maksimalus indukuotosios optinės jėgos padidėjimas yra r = 30 nm. Tačiau eksperimente gauta rezonansinė smailė yra platesnė, o smailės aukštis (ty padidinimo koeficientas E ) yra mažesnis, palyginti su modeliavimo vertėmis. Skaitmeniniuose modeliavimuose lygiagreti pusiau begalinė aukso plokštė buvo naudojama kaip viršutinis rezonansinės ertmės paviršius. Realiame eksperimento metu optiniam suderinimui palengvinti buvo naudojama auksu dengta stiklo rutulys. Tokiu atveju pastebėtas optinės jėgos padidėjimas gali būti vertinamas kaip N (~ 100) lygiagrečių ertmių vidurkis. Tačiau tik dalis aukso diskų sudaro aukšto tikslumo rezonansą su viršutine auksu dengta sfera, todėl pastebimas mažiau ryškus padidinimo koeficientas E. Ertmių atskyrimas daro didelę įtaką lauko nuotėkiui ir stiprinimo koeficientui. Atliekant modeliavimą, mes pastebime, kad nano disko dydis esant rezonansui pasislenka nuo ~ 700 nm (vienam nanodaliui) iki ~ 380 nm (sujungtai plazmoninei ertmei artinant r = 30 nm), apšviestai 1550 nm lazeris. Kadangi dauguma lygiagrečių ertmių eksperimente yra su ~ 100 nm atskyrimu, susilpnėjimas susilpnėja ir tokiu būdu nanodalelių, kurias stebėjome esant didžiausiam padidinimo koeficientui E, dydis tik šiek tiek sumažėja nuo ~ 700 nm vienam nano disko rezonansas pagal tikrąjį aukso disko dydį đ = 567, 5 nm ( d = 625 nm žr. 1 lentelę). Nors mūsų eksperimentinė sąranka pagrįsta išlenktu rutulio paviršiumi, o ne idealiai lygiu vakariniu paviršiumi, mes vis tiek galime pasiekti optinės jėgos padidėjimą nanostruktūrizuotose plazmoninėse ertmėse su tomis pačiomis r ir d reikšmių rinkiniu, kaip ir numatytas skaitiniais modeliavimais.

Anksčiau plazmoninių struktūrų rezonansiniam tyrimui buvo naudojami optiniai pincetai 18 ir bendrojo vidinio atspindžio mikroskopija (TIRM) 35, 36 . Palyginti su šiais optiniais metodais, mūsų sąranka ir technika turi keletą svarbių pranašumų. Pirmiausia, tiksliai kontroliuodami AFM konsolerio padėtį, mes galime ištirti rezonansinius reiškinius optinėje ertmėje, kai ertmių atskyrimas r skiriasi nuo mikro- iki nanometrų, tuo tarpu TIRM sunku valdyti ilgio skalėmis. mažesnis kaip 100 nm arba didesnis nei pusė bangos ilgio. Antra, naudojant dinaminio režimo AFM ir fiksavimo techniką, galime tiesiogiai išmatuoti optinę jėgą plazmoniniame rezonanse su dideliu jautrumu - 0, 1 pN (su integracijos trukme 0, 1 s) kambario temperatūroje ir standartiniame atmosferos slėgyje. Kita vertus, optinio žnyplio artimojo lauko jėgos matavimui didelę įtaką turės įvairūs artimųjų sienų efektai, tokie kaip šviesos atspindys ir užsikimšimas, ir pačių optinių žnyplių sukeltos paviršiaus plazmoninės bangos, kai jie yra labai arti. prie metalinio paviršiaus 18 . Tai ypač pasakytina apie rezonansą.

Pagrindinis šios technologijos iššūkis yra artimo lauko šiluminis poveikis AFM konsolei dėl naudojamo moduliuoto lazerio pluošto, kuris jau nustatytas esant minimaliam intensyvumo lygiui. Pažymima, kad jėga, kurią veikia EM radiacija, visada turi tiesioginį elektromagnetinės jėgos komponentą ir netiesioginį šiluminį poveikį. Šiluminis poveikis, kaip aptarta aukščiau, tampa dar sudėtingesnis artimame lauke 37, 38 . Šiuo metu tiesioginę elektromagnetinę jėgą galima tiksliai apskaičiuoti naudojant skaitmeninius metodus, tokius kaip Maksvelo įtempio tensoro metodas. Labai norėtųsi, kad šiluminį poveikį būtų galima apskaičiuoti pagal pirmuosius principus tuo pačiu tikslumo lygiu. Vis dėlto tai labai sudėtinga, nes vien artimo lauko spinduliuotės perdavimas jau yra labai sudėtingas 39, 40, jau nekalbant apie papildomas komplikacijas, atsirandančias dėl kitų šilumos perdavimo būdų, kurie priklauso nuo konfigūracijos ir medžiagų. Norint suprasti artimojo lauko šiluminį poveikį, reikia daugiau pastangų.

Apibendrinant, mes atlikome sisteminį optinių jėgų tyrimą plazmoninio rezonanso ertmėje, naudodami dinaminio režimo AFM. Plazmoninę ertmę sudaro viršutinė auksu dengta stiklo rutulys ir apatinis kvarco substratas, raštuotas su periodiniu aukso diskų, turinčių bangos ilgį, ilgiu. Išmatuota optinė jėga labai priklauso nuo ertmės atskyrimo r ir aukso diskų skersmens d . Įprastinė optinė jėga gaunama tolimajame lauke ( r > 3 μm) esant skirtingoms d reikšmėms ir gerai sutampa su išmatuotu optiniu pralaidumu. Artimojo lauko ( r <0, 5 μm) ertmėje sužadinamas plazmoninis rezonansas, o infraraudonųjų spindulių lazerio sukelta jėga padidinama pagal dydį, palyginti su įprastu optiniu slėgiu, kurį sukuria ta pati lazerio šviesa. Eksperimentas rodo, kad dinaminio režimo AFM yra galinga priemonė EM sukeltų jėgų tyrimui plazmoninėse nanostruktūrose.

Metodai

Teorinis modelis ir modeliavimas

Ankstesni teoriniai tyrimai 12, 13 parodė, kad šioje plazmoninėje ertmėje yra antisimetrinis režimas, kai dvi antiparallelės rezonansinės srovės svyruoja išilgai viršutinio ir apatinio aukso nanodiskų. Sukeltos antiparallelės srovės sukelia atstumiančiąją jėgą tarp dviejų nanodiskų, o susikaupę priešingi krūviai ant priešingų dviejų nanodiskų kraštų sukelia patrauklią jėgą. Ertmę veikianti vidutinė laiko trukmės jėga yra konkurencijos tarp dviejų priešingų elektrinių ir magnetinių efektų rezultatas. Neseniai atliktame mikrobangų eksperimente 17 buvo pastebėta grynoji atstumianti jėga, nes baigtinio dydžio krašto efektas silpnina elektrinę trauką. Skirtingai nuo mikrobangų režimo, šiame eksperimente optiniai aukso nuostoliai nėra nereikšmingi ir žymiai sumažins srovės sukeltą atstūmimą. Dėl to laukiama plazmoninės rezonansinės ertmės 12 patrauklioji jėga.

Norėdami toliau patikrinti aukščiau pateiktas teorines idėjas šiame eksperimente, mes atliekame baigtinių skirtumų-laiko-domenų (skaitinių FDTD sprendimų) indukuoto elektrinio ir magnetinio lauko pasiskirstymo modeliavimą eksperimente naudojamos plazmoninio rezonansinės ertmės viduje. Tada apskaičiuojamas šviesos sukeltos jėgos maksimalus įtempio tenzoro algoritmas su laiku. Kadangi stiklinės sferos skersmuo yra daug didesnis nei nano disko dydis, o stiklo rutuliu padengto aukso sluoksnio storis (~ 100 nm) yra daug didesnis nei infraraudonosios šviesos ( λ) aukso odos gylis. = 1550 nm), modeliavime viršutinę auksu dengtą stiklo sferą supaprastiname iki pusiau begalinio storio plokščios aukso plokštės. Periodiškos ribinės sąlygos taikomos tiek x, tiek y kryptimis, o elemento elementas yra 200 nm didesnis nei disko skersmuo d . Skaitiniai rezultatai parodyti 3 pav.

Plazmoninės rezonansinės ertmės surinkimas

1 pav. B) pavaizduotas stačiakampio formos konsoles pluošto vaizdas su auksu dengta stiklo rutuliu, išklijuotu priekiniame gale. Eksperimente naudojami komerciniai stiklo rutuliai (mikrosferos-nanosferos), kurių spindulys R ≈ 15 μm. Naudojami AFM tvirtinimo elementai yra siliciniai, be užuolaidų („MikroMasch“), kurių spyruoklės konstanta yra k = 0, 08 N / m. Stiklinės sferos surinkimas į konsolę atliekamas naudojant motorizuotą mikromanipuliatoriaus sistemą kartu su didelio padidinimo stereomikroskopu (Leica MZ16). Stiklo rutulys klijuojamas prie skydinės, naudojant kietinamus UV spindulius (Norland, NOA 81). Kai klijai sukietėja, modifikuotas laikiklis valomas pakartotinai plaunant izopropanolį ir po to 20 minučių plazmoje plaunant (Harrick Plasma PDC-32G). Galiausiai konsolas su stiklo rutuliu yra padengtas 100 nm storio aukso plėvele, naudojant vakuuminį purkštuvą (Denton Explorer 14). Ši 100 nm storio aukso plėvelė yra pakankamai stora, kad įsitikintų, jog sistemos absorbciją lemia aukso plėvelė, kuri yra daug mažesnė nei labai n-skiesto silicio konsolas. Tuo pačiu metu jis nėra per storas, kad iš esmės paveiktų vidines skydinės mechanines savybes. Toks aukso plėvelės storio optimizavimas yra būtinas norint sumažinti nepageidaujamą šiluminį netolygų ilgio stačiakampio konsolerio pluošto lenkimą.

1 c pav. Parodytas periodinio aukso diskų, kurių skersmuo d = 650 nm, dengto kvarco pagrindu, AFM vaizdas. Auksinio disko masyvas yra pagamintas naudojant elektronų pluošto litografijos metodą, po kurio eina metalinis pakėlimas. Eksperimente mes naudojame skirtingas disko matricas, kurių d diapazonas yra 250–750 nm. Nominaliosios d vertės ir tikrasis AFM išmatuotas aukso disko matmuo pateikiami 1 lentelėje. Plazmoninio rezonanso ertmė susidaro tarp stiklo sferos viršutinio aukso paviršiaus ir apatinės aukso disko raštinės kvarco plokštės. Ertmės atskyrimas r yra apibrėžiamas kaip artimiausias atstumas tarp stiklinės sferos paviršiaus ir aukso diskų paviršiaus. R reikšmė gali būti nuolat keičiama naudojant AFM z ašies pjezo. Eksperimente keičiame rezonansinės ertmės apatinę plokštę, rodydami rutulį ant skirtingų disko matricų. Palyginimui, paprasta kvarco plokštelė, kurioje nėra aukso disko, taip pat naudojama ertmei, kuri neturi jokio rezonanso efekto, suformuoti.

DM-AFM valdymas

Eksperimente optiniam jėgos matavimui naudojamas AFM (MFP-3D, Asylum Research Inc.). AFM valdomas dviem režimais. Vienas iš jų yra šiluminės galios spektrinio tankio (PSD) režimas, naudojamas matuoti galios spektrą, | z ( ω ) | 2 (arba lygiaverčiai | z ( f ) | 2 ), vertikalios skydinės plokštės deformacijos. Esant šiam režimui, konsolas statomas stacionariai. Įtampos signalas, gaunamas iš padėties jautraus fotodetektoriaus [žr. 1 pav. (A)], skaitmenizuojamas esant 5 MHz atrankos dažniui. Paprastai | z ( ω ) | 2 imamas su 9, 54 Hz dažnio skiriamąja geba ir kiekvienos | z ( ω ) | 2 laikomos nustatytą 5 minučių laikotarpį. Kitas režimas yra dinaminis režimas AFM, kuriame fiksavimo technika naudojama matuojant optinę jėgą moduliacijos dažniu, o foninis triukšmas filtruojamas, pašalinant nepageidaujamą poveikį iš kitų paviršiaus jėgų.

1 pav. (A) parodyta pagrindinė dinaminio režimo AFM sąranka. Eksperimente naudojamas infraraudonųjų spindulių lazeris, kurio bangos ilgis λ = 1550 nm, o jo intensyvumas moduliuojamas dažnių diapazone 4-10 kHz. Intensyvumo moduliuotas lazerio spindulys vertikaliai patenka į optinę ertmę iš apačios per raštuotą pagrindą. Optiniam nustatymui naudojamas kolinearinis raudonasis lazeris, kurio bangos ilgis λ = 635 nm. AFM turi įmontuotą optinę prieigą ir CCD kamerą, leidžiančią mums tiesiogiai stebėti stiklinę rutulį, priklijuotą ant ant konsolės, aukso disko modelį ir raudoną lazerio vietą optinės ertmės viduje. Ši vizualizacijos sistema padeda mums suderinti krintantį lazerio spindulį ir perkelti stiklo sferą į lazerio taško centrą. Priešais AFM fotodetektorių yra optinis filtras, kuris blokuoja krintančią lazerio šviesą, kai λ = 1550 nm. Optinio filtro pralaidumas yra mažesnis kaip 10–5, kai λ = 1550 nm, užtikrinant, kad IR šviesa nepatektų į AFM aptikimo sistemą. Lazerio moduliacijos dažnis yra nustatytas ω ′   = 56, 51 kHz, kai fazės vėlavimas yra φ = −170 o, palyginti su nustatyta rezonanso of = −90 o verte. Šis dažnis pasirenkamas taip, kad būtų artimas konsoleinės sistemos rezonansiniam dažniui ( ω 0 = 43, 79 kHz), kad matuojamas kintamasis signalas būtų gaunamas esant mažam lazerio intensyvumui (~ 1 mW). Be to, didelis moduliacijos dažnis padeda sumažinti lazerio kaitinimo efektą - 32, 33 .

Visi AFM matavimai atliekami laboratorijos kambaryje su vibraciją izoliuojančiomis grindimis. Be to, visa optinė ertmė ir AFM sąranka yra ant aktyviosios vibracijos izoliavimo lentelės, kuri dedama į akustinį izoliacijos gaubtą (BCH-45, „Asylum Research Inc.“), dar labiau sumažindama aplinkinių vibracijų poveikį. Akustinio gaubto viduje yra oro temperatūros reguliatorius (ATC), kuris palaiko gaubto temperatūrą šalia prietaiso, esant 28 ± 0, 1 ° C pastoviai vertei. Eksperimente mes naudojame mažiausią įmanomą infraraudonųjų spindulių lazerio intensyvumą, kad siekiant sumažinti vietinio šildymo efektą. Didžiausias lazerio intensyvumas yra 1, 55 mW. Prieš kiekvieną matavimą mes įjungiame visą AFM sistemą ir ATC ir laukiame mažiausiai 4 valandas, kad įsitikintume, jog visa sistema pasiekia pusiausvyrą su aplinka, kad matavimo sistemoje sumažintume šiluminį dreifą. Pusiausvyroje pastebime, kad ertmės atskyrimo r pokytis yra apie 1 nm / min. Kad būtų išvengta galimos elektrostatinės sąveikos, šalia raštuoto pagrindo dedama polonio šaltinio (Staticmaster) juostelė, kad neutralizuotų jo paviršiaus krūvius. Be to, auksu dengta sfera yra elektriškai įžeminta.

Duomenų analizė

Poslinkio amplitudės A vertė gaunama dviem skirtingais būdais. Pirmiausia reikia išmatuoti aštrų smaigalį, kai važiavimo dažnis ω ′ = 56, 51 kHz | z ( ω ) | 2 esant PSD režimui [žr. (3)], o rezultatus parodo raudoni apskritimai 4 pav. (A). Antrasis būdas yra naudoti dinaminio režimo AFM su užrakinimo stiprintuvu, o rezultatai parodyti vientisomis linijomis 4 pav. (A). Pastaruoju atveju matavimai atliekami, kai stiklo rutulys artėja (kai r <0) arba traukiasi (kai r > 0) nuo apatinio ertmės paviršiaus pastoviu greičiu V = 100 nm / s. Iš 4 pav. (A) matyti, kad dviem metodais gautos A vertės yra labai artimos viena kitai; skirtumas tarp dviejų duomenų rinkinių yra mažesnis nei 3%. Abu metodai papildo vienas kitą. Su fiksuojamuoju stiprintuvu galima išmatuoti nenutrūkstamus amplitudės A ir fazės uždelsimo φ pokyčius kaip funkcijos ertmės atskyrimą r . Iš išmatuoto | z ( ω ) | 2, kita vertus, be A galima gauti ir kitų parametrų, tokių kaip m , ω 0 ir ξ , vertę ir apskaičiuoti optinę jėgą F o naudojant Eq. (3).

Papildoma informacija

Kaip pacituoti šį straipsnį : Guan, D. et al. Tiesioginis optinės jėgos, sukeltos plazmoninio lauko plazminės ertmės, matavimas naudojant dinaminio režimo AFM. Mokslas. Rep. 5, 16216; „doi“: 10.1038 / srep16216 (2015).

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.