Новые решения задач дифракции для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (этап 3, заключительный)

Развитие метода сканирующей ближнепольной оптической микроскопии рассеивающего типа (р-СБОМ) является важной задачей, так как с ее помощью возможно исследовать электромагнитные возбуждения, локализованные на поверхности микро- и наноструктур, с субдифракционным пространственным разрешением, а также проводить анализ оптического отклика новых двумерных материалов, что не удается выполнить другими методами, такими как эллипсометрия и спектроскопия пропускания. Немаловажным является разработка методов анализа и теоретического обоснования результатов, получаемых в экспериментах с использованием р-СБОМ. Таким образом, проект “Новые решения задач дифракции для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии” направлен на разработку теоретических основ количественной ближнепольной микроскопии и экспериментальную проверку разработанных принципов. В рамках третьего этапа реализации проекта в 2023-2024 гг. выполнены все запланированные работы. Разработана количественная модель формирования сигнала в безапертурном сканирующем ближнепольном оптическом микроскопе при сканировании латеральных неоднородностей двумерных систем. Модель основана на точном решении задачи дифракции мультипольного излучения, исходящего от зонда, на линейной границе раздела двух двумерных систем с неодинаковыми поверхностными проводимостями, а также на условии самосогласованного нахождения дипольного момента зонда по известной его поляризуемости. Получено аналитическое решение задачи дифракции электромагнитной волны на полосе из двумерного материала конечной ширины и на системе «зонд СБОМ + двумерный материал конечной ширины». Показано, что при дифракции плоской волны возможно возбуждение двумерных плазмонов в полосе, при этом сечение возбуждения n-го порядкового плазмонного резонанса падает как 1/n^2. Наличие металлического зонда СБОМ почти не меняет сечения плазмонного резонанса, т.к. возбуждение плазмонов происходит благодаря неоднородности полного поля на краю полосы. Аналитически показано, что «длина рассеяния» (аналог сечения поглощения для линейных объектов) излучения на двумерной полосе имеет верхний предел, равный длине волны свободного пространства, деленной на 2\pi. Получено точное аналитическое решение задачи дифракции двумерного плазмона на границе раздела двух двумерных систем с различными проводимостями. Показано, что коэффициенты отражения и прохождения отличаются от своих «френелевских» значений, получаемых для дифракции трехмерных электромагнитных волн. Решена задача о дифракции плоской электромагнитной волны на краю двумерной системы с модельной нелокальной проводимостью, имеющей диффузионный вид. Показано, что наличие диффузии в двумерной системе приводит к перенормировке длины волны испускаемых от края плазмонов. В экспериментах с помощью р-СБОМ было изучено распространение поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) в квазидвумерных металлических пленках с определением эффективного индекса и длин пробега мод ППП в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, а также распространение фотонных мод в анизотропных ван-дер-ваальсовых кристаллах в ближнем и среднем ИК, из анализа которых удалось верифицировать оптические константы (коэффициент экстинкции (k) и показатель преломления (n)) данных материалов. В частности, экспериментально проведено исследование волноводных фотонных мод с помощью р-СБОМ в дихалькогенидах переходных металлов As2S3, GeS2 и PdSe2. Карты осцилляций амплитуды и фазы ближнепольного сигнала подтвердили распространение волноводной моды, и на основе разработанного метода определены эффективные индексы TM-моды для длин волн от 700 до 1000 нм и около 1550 нм. В задаче по отражению двумерных плазмонов от края материала с помощью р-СБОМ измерено распространение ППП в квазидвумерных пленках золота с толщинами 3, 5 и 8 нм и на контакте металл-двумерный материал (Au-MoS2). На основе разработанного метода анализа данных р-СБОМ получены дисперсионные соотношения двух плазмонных мод (длиннопробежной и которкопробежной) в диапазонах 700 - 1000 нм и 1480 - 1600 нм, а также установлен порог наблюдения ППП в квазидвумерном золоте, который составляет 3 нм. В рамках задачи по исследованию корреляции между проводимостью на постоянном токе и ближнепольным сигналом в структурах двумерный материал-металлический контакт, с помощью р-СБОМ проведены измерения поверхностных плазмонов в ультратонкой пленке золота 9 нм, полученной на двумерном слое MoS2. Выполнены измерения распространения ППП на поверхности пленки с помощью р-СБОМ в диапазоне длин волн 1480 - 1600 нм, получены карты осцилляций амплитуды и фазы ближнего поля. Путем анализа спектров Фурье осцилляций были найдены эффективные индексы мод, длиннопробежной и короткопробежной, и длины распространения мод для разных длин волн. Разработана теоретическая модель, учитывающая нелокальность отклика металлического слоя на электромагнитное возмущение, которая корректно описывает характеристики ППП в квазидвумерных металлических пленках. Настроена система сканирующей ближнепольной оптической микроскопии рассеивающего типа для среднего ИК диапазона от 5.25 μм до 10.5 μм. Произведены эксперименты по оптимизации работы ИК р-СБОМ на примере образцов кристаллических многослойного графена и ван-дер-ваальсового кристалла PdSe2. Получены ближнепольные изображения распределение границ доменов в трехслойном графене с разным направлением расположения слоев на длине волны 10.5 μм и изображения границ муаровой сверхрешетки области двуслойного графена, которые согласуются с работами других научных групп. С помощью ИК р-СБОМ получен эффективный индекс волноводной моды в кристалле PdSe2 на длине волны 10.5 μм.