КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 21-72-10163
НазваниеНовые решения задач дифракции для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии
Руководитель Якубовский Дмитрий Игоревич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые слова Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, двумерные материалы, плазмон, фонон-поляритон, трансформационная оптика, метод Винера-Хопфа, плазмоника, метаповерхности, фотоника, нанофотоника
Код ГРНТИ29.03.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) является мощным методом исследования электромагнитных свойств материалов и наноструктур с пространственным разрешением меньшим длины электромагнитной волны. Принципом данного метода является возможность регистрации “ближнего поля” излучения объектов на субволновом растоянии от поверхности. Среди важнейших последних достижений ближнепольной микроскопии можно отметить регистрацию полей, определение длины волны и длины пробега поверхностных плазмонов в металлах и полупроводниковых структурах; обнаружение гибридных фонон- оляритонных мод в гиперболических материалах; установление механизмов генерации фототока в неупорядоченных полупроводниках; регистрация магнитных и электронных фазовых переходов и многое другое.
Несмотря на эти достижения, однако, ближнепольная микроскопия до сих пор остается скорее качественным, чем количественным методом исследования наноструктур. С теоретической стороны, причина состоит в сложности описания взаимодействия электромагнитной волны с суб-волновым зондом ближнепольного микроскопа, а также в сложности описания взаимодействия ближнего поля зонда с образцом, содержащим суб-волновые неоднородности. С экспериментальной стороны, сложность состоит в отделении сигнала изучаемого ближнего поля от множества фоновых сигналов, а также в возмущении изучаемого поля заостренным зондом. Интерпретация данных СБОМ требует сравнения с моделями электромагнитного отклика, для которых затруднительна даже численная реализация. Сложность численной реализации электромагнитных моделей СБОМ связана с наличием одновременно больших (длина волны излучения) и малых масштабов (размер зонда, размер неоднородности) в задаче, что требует огромных расчетных сеток и длительного машинного времени. В связи с вышесказанным, в СБОМ сейчас регистрируется лишь “относительный контраст” областей, или характеристики интерференционных картин для поверхностных волн.
В рамках данного проекта планируется разработка теоретических основ количественной ближнепольной микроскопии и экспериментальная проверка разработанных принципов. Для этой цели планируется получение и анализ точных решений задач дифракции для основных блоков, составляющих основу СБОМ: (1) задачи рассеяния электромагнитных волн на зонде сканирующего рассеивающего ближнепольного микроскопа реалистичной формы методами трансформационной оптики (2) задачи рассеяния электромагнитной волны и возбуждения поверхностных волн на латеральных неоднородностях изучаемой поверхности (3) задачи взаимодействия зонда СБОМ и электромагнитной волны с поверхностями, имеющими нелокальный токовый отклик. Предлагаемые к решению электромагнитные задачи обладают очень “богатой” внутренней физикой, что позволит получить информацию о (1) пространственном распределении ближнего поля вблизи зонда и латеральных неоднородностей (2) спектре и затухании объемных и краевых плазмонов и фонон-поляритонов в двумерных системах и тонких пленках (3) эффективности конверсии излучения свободного пространства в поверхностные моды (4) предельном латеральном разрешении сканирующего ближнепольного микроскопа (5) предельном усилении локальных электромагнитных полей вблизи неоднородностей поверхности.
Все разработанные модели будут экспериментально верифицированы на тестовых системах: гетероструктурах на основе инкапсулированного графена.
Новыми фундаментальными идеями, отличающими исследования в проекте от предшественников, является применение мощных методов Винера-Хопфа и трансформационной оптики к решению задач взаимодействия “излучение - неоднородная поверхность” и “излучение - зонд”. Это позволит получить физически прозрачные законы взаимодействия излучения с оптически неоднородными наноструктурами и зондами сложной формы. Ключевой экспериментальной идеей, позволяющей верифицировать количественные модели, является проведение ближнепольного эксперимента на модельной системе с хорошо известными и электрически контролируемыми оптическими свойствами. Такой системой является графен, в котором c помощью системы затворов могут индуцироваться латеральные неоднородности оптических свойств.
Важно заметить, что применимость разрабатываемых моделей ближнепольного взаимодействия не ограничена графеном атомарно тонкими материалами; модели будут применимы к структурам с толщиной много меньшей длины электромагнитной волны. Получение точных решений прямых задач рассеяния станет ключом к решению обратных задач ближнепольной микроскопии, т.е. задач определения диэлектрической проницаемости и проводимости исследуемых объектов по пространственному распределению ближнепольного сигнала. Более того, результатом исследования станет разработка новых методик СБОМ, которые позволят измерять зависимость поверхностной проводимости от длины волны, т.е. изучать пространственную дисперсию. Это, в свою очередь, позволит получать ценную информацию об электронном транспорте оптическими методами.
Научная новизна теоретической части исследования состоит в применении современных аналитических методов электродинамики к ближнепольной микроскопии (1) метод трансформационной оптики (оптических конформных отображений) (2) метод связанных интегральных уравнений и их решение методом Винера-Хопфа (3) точные методы описания нелокального электромагнитного отклика ограниченных систем. Предлагаемые к получению решения дополнят (а в некоторых случаях - заменят) численное моделирование с помощью электромагнитных симуляторов в задачах интерпретации ближнепольного отклика. Экспериментальная новизна исследования состоит в возможности регистрации слабых ближнепольных сигналов от зондов, не возмущающих ближнее поле наноструктур, а также регистрации латеральной и вертикальной компонент поля при применении дополнительных методов собирающей и рассеивающей микроскопии. Как итог, в результате проекта будут заложены основы количественной ближнепольной микроскопии, которая станет важным инструментом в диагностике наноструктур для новых электронных и оптических приборов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ