Scientific.ru
Новости науки
17.06.05. Еще один способ преодоления дифракционного предела

Новые подходы, использующие идеологию так называемых "материалов- левшей", позволяют существенно расширить возможности оптической микрсокпии и получать изображения объектов с размером существенно меньше длины волны.

Микроскопия, родившаяся в середине XVII века, превратилась в настоящее время в неотъемлемый инструмент смых разных областей науки и техники. Начиная с анализов в поликлинике и до приложений в высоких технологиях, разнообразные приборы - световые, электронные, ультразвуковые, атомно- силовые, туннельные и пр., - объединенные родовым именем микроскопы, поддерживают и развивают наши возможности видеть, понимать и работать в микромире. Тем не менее, почти фантастические возможности уже существующих микроскопов еще не предел. Как и многое другое, уровень возможностей микроскопии стал фактором научно-технологической гонки. Существование давно установленных дифракционных ограничений на разрешение, кажется, только подогревает эту гонку. Даже в такой классической области, как оптическая микроскопия, появляются новые, еще недавно совершенно немыслимые решения.

Недавно журнал Science сообщил о демонстрации сверхразрешения в ближне-ультрафиолетовом диапазоне с использованием идеологии материалов-левшей (left-hand materials или LHM). Возможность получения сверхразрешения была предсказана физиком английским физиком J. Pendry в 2000 г. Им были рассмотрены так называемые эванесцентные (экспоненциально затухающие моды) и предсказано, что плоские линзы из LHM могут усиливать и фокусировать такие типы колебаний. В частности, эванесцентными являются локальные моды электромагнитного поля, например, просачивающиеся в очень узкие отверстия в экранах. На расстояниях, бОльших длины волны, это поле "развернется" в обычную электромагнитную волну; детальный профиль, который имело поле сразу за экраном с отверстием, будет экспоненциально затухать с расстоянием. Согласно предсказанию английского физика, эванесцентные волны могут усиливаться плоскими слоями из LHM и даже фокусироваться ими. Обнаружение подобного эффекта открыло бы не только новую эру в микроскопии, но и совершенно новые перспективы перед литографией высокого разрешения.

Однако обнаружение заманчивого эффекта - это только половина интриги. Вторая половина в том, что материалы-левши отсутствуют в природе, и долгое время их делали из проволочных элементов; в самое последнее время для этого использовали литографическую технику. Так или иначе, для реализации LHM создавали дискретные проводящие элементы специальной формы, которые во множестве и составляли среду с необходимыми свойствами. Но искусственно созданная среда вела себя так, как предсказывала теория, лишь по отношению к излучению с длиной волны, много большей размеров отдельных элементов. Получался порочный круг – для повышения разрешения литографии нужны слои (линзы) из LHM, но сам LHM материал в состоянии фокусировать только излучение с длиной волны, большей того, что уже может литография.

Тем не менее, этот тупик оказался не безвыходным, хотя выход оазалось найти не так уж и просто. Вообще-то LHM материалы - это материалы, у которых должны быть отрицательными и магнитная, и диэлектрическая проницаемости. Однако в наномасштбах многое происходит иначе. При действии электромагнитного поля на объект с размерами, много меньшими длины волны, волновые свойства поля излучения малосущественны. В этом случае достаточно хорошим приближением является рассмотрение объекта в квазиоднородном поле, т.е. только в локальном электрическом поле световой волны. Поэтому, с учетом сказанного выше, для проявления свойств LHM в нанометровых масштабах ситуация упрощается: оказывается достаточным, чтобы отрицательной была только диэлектрическая проницаемость. А это уже гораздо проще – отрицательная диэлектрическая проницаемость реализуется в частотной области аномальной дисперсии, что не является какой-то особой экзотикой.

  lhm-micr.gif
Рис. 1. Полученные разными методами изображения "букв".
 

В недавних работах сверхразрешение было продемонстрировано с использованием самой обычной пленки серебра, которая в условиях эксперимента повели себя, как LHM. В работе исследовали разрешение, полученное на слое фоторезиста в ближней зоне (на расстоянии, существенно меньшем длины волны) при просвечивании непрозрачной маски с процарапанным изображением. В первом случае процарапанное на маске изображение проектировали на фоторезист, расположенный в 75 нм от маски, а во втором между фоторезистом и маской дополнительно помещали 35 нм слой серебра. Размеры щелей на маске и толщины линий изображений на фоторезисте определяли с помощью атомно-силового микроскопа.

На рис.1 видно, что прослойка серебра между маской и фоторезистом позволяет сохранить на изображении (в середине) толщину линий, имеющуюся на исходной маске (верхнее изображение). Нижнее изображение получено при прямом проектировании маски на фоторезист на том же расстоянии, что и в эксперименте с пленкой серебра (75 нм). Масштабный отрезок на всех трех изображениях - 2 мкм. Авторы определяют достигнутое ими разрешение в 64 нм. Это, конечно, хуже того, что ожидается от развития литографии в экстремальном ультрафиолете (EUV), но заметно лучше того, что удается получать сегодня. А главное, разрешение существенно превосходит дифракционный предел.

Заметим, что развитие физики материалов-левшей (LHM) происходит столь стремительно, что многие положения не успевают пройти неформальню, но очень важную стадию признания коллегами. Само предсказание сверхразрешения сформулировано в 2000 г. в терминах "может быть"; и еще недавно во многих статьях высказывались достаточно аргументированные сомнения в возможности реализации характерного поведения LHM. Можно вспомнить, что автор, который сейчас широко известен как «изобретатель» LHM - наш соотечественник В.Г.Веселаго (справедливости ради, в своей основополагающей статье, опубликованной в УФН, Веселаго ссылается на более раннюю работу И.Е.Тамма), полагал, что для воплощения этих материалов нужны ни много ни мало – магнитные монополи.. И вот за несколько лет, на наших глазах (судя по иллюстрациям из Nature) свободная игра умов воплотилась в новый технологическй прорыв.

Источник информации - заметка М.Компана в бюллетене ПерсТ, выпуск 11 за 2005 г.

Обсудить на форуме


На главную страницу