Национальный стандарт РФ ГОСТ Р ИСО 27911-2015 "Государственная система обеспечения единства измерений. Химический анализ поверхности. Сканирующая зондовая микроскопия. Определение и калибровка латерального разрешения ближнепольного оптического микроскопа" (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12 марта 2015 г. N 130-ст)

State system for ensuring the uniformity of measurements. Surface chemical analysis. Scanning-probe microscopy. Definition and calibration of the lateral resolution of a near-field optical microscope

Дата введения - 1 января 2016 г.

Введен впервые

Предисловие

1 Подготовлен Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ") на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 4

2 Внесен Техническим комитетом ТК 206, подкомитетом ПК 10 "Эталоны и поверочные схемы. Оптико-физические средства измерений"

3 Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12 марта 2015 г. N 130-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 27911:2011 "Химический анализ поверхности. Сканирующая зондовая микроскопия. Определение и калибровка латерального разрешения ближнепольного оптического микроскопа" (ISO 27911:2011 "Surface chemical analysis - Scanning-probe microscopy - Definition and calibration of the lateral resolution of a near-field optical microscope").

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 Введен впервые

Введение

Ближнепольный сканирующий оптический микроскоп (БСОМ или СБОМ) - это вид сканирующего зондового микроскопа с оптическим источником, позволяющий достичь существенно большего пространственного разрешения, чем определенное дифракционным пределом Аббе. Разрешение БСОМ обычно определяется размером апертуры. При отсутствии апертуры в БСОМ применяют в качестве зонда заостренный световод, который используют для зондирования поверхности или молекул на поверхности с помощью местного рассеивания света от поверхности тестового образца или вершины световода. Пространственное разрешение для рассеивающего БСОМ - это сложный параметр, поэтому данный стандарт описывает только латеральное разрешение апертурных зондовых БСОМ.

1 Область применения

Настоящий стандарт описывает метод определения пространственного (латерального) разрешения апертурного ближнепольного сканирующего оптического микроскопа (далее по тексту - БСОМ) посредством формирования изображения объекта размером много меньше, чем ожидаемое разрешение. Стандарт применим для апертурных БСОМ, работающих в проходящем(их), отраженном(ых), собирающем(их) режиме(ах) излучение/сбор.

2 Нормативные ссылки

Нижеприведенные документы обязательны для применения настоящего документа. Для датированных ссылок применимы только процитированные документы. Для недатированных ссылок используются последние версии приведенных документов (со всеми поправками).

ИСО 18115-2 Поверхностный химический анализ. Словарь. Часть 2. Термины, использующиеся в сканирующей зондовой микроскопии (ISO 18115-2, Surface chemical analysis. Vocabulary)

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины и определения, приведенные в ИСО 18115-2 и следующих выпусках, с соответствующими определениями:

3.1 дальнее поле (far field): Электромагнитное поле, находящееся на расстоянии от светового источника, существенно превышающем длину волны света.

3.2 точка "размывания" функции (point "blurring" of the function): Отклик системы формирования изображения на точку поверхности или изучаемый объект.

4 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте использованы следующие обозначения и сокращения:

КТ - квантовая точка;

ЛФД - лавинный фотодиод;

ТРФ - функция "размытия" точки (point spread function);

ТФУ - трубка фотоумножителя;

ЧА - числовая апертура;

ШПВ - ширина на половине высоты;

- ШПВ ТРФ БСОМ, т.е. латеральное разрешение БСОМ.

5 Основные положения

5.1 БСОМ - это вид сканирующего микроскопа с зондом, имеющим диафрагму, которая может собирать свет с поверхности испытуемого образца на расстоянии, меньшем длины волны света. В данной области интенсивность электромагнитной волны, выходящей через апертуру, экспоненциально уменьшается в зависимости от расстояния. Данная область называется ближней зоной. Двумерное изображение БСОМ состоит из пикселей, которые содержат оптическую информацию (интенсивность света или число фотонов, измеренных для каждого пикселя). Для апертурных БСОМ открытая оптическая диафрагма с субдлинноволновым диаметром расположена на вершине острия зонда. С ее помощью свет излучается и/или собирается. Диафрагма БСОМ сканирует поверхность образца в области ближней зоны. Так как диафрагма расположена очень близко к поверхности, размер освещенной площадки (или той, с которой собирают свет) определяется не длиной волны, а в большинстве случаев размером диафрагмы. Так как размер диафрагмы может быть не более нескольких десятков нанометров, пространственное разрешение БСОМ гораздо лучше, чем теоретический предел разрешения стандартного дальнопольного оптического микроскопа. Пространственное разрешение ограничено возможностью уменьшения размера диафрагмы, который не может быть намного меньше толщины оболочки металлического покрытия зонда БСОМ, из которого сделана диафрагма. К тому же, с уменьшением диаметра диафрагмы существенно уменьшается интенсивность проходящего излучения, которую невозможно зарегистрировать.

5.2 Виды работ на БСОМ

5.2.1 Основная информация

Далее описаны различные режимы эксплуатации БСОМ. В настоящем стандарте представлен апертурный БСОМ, работающий в излучательном, собирательном режимах или в режиме излучение/сбор. Контроль величины зазора между образцом и зондом обеспечивается с помощью метода shear-force с использованием оптического или электрического преобразования для зонда с прямым волокном и отклонения кантилевера.

5.2.2 Классификация

5.2.2.1 БСОМ могут классифицировать по принципам, с помощью которых свет подают на образец или собирают с него:

a) режим освещения: свет поступает через апертуру и собирается объективом в дальней зоне;

b) режим сбора фотонов: образец освещают светом из дальнопольного источника или возбуждают для излучения света с помощью других средств и свет детектируют (собирают) с помощью диафрагмы БСОМ;

c) комбинированный режим (излучения/сбора): диафрагму БСОМ используют и для освещения, и для сбора.

5.2.2.2 БСОМ также могут классифицировать по положению собирающей оптики относительно оптико-осветительной системы:

a) режим работы в отраженном свете: освещение и сбор осуществляют на одной стороне образца в любом из трех режимов, описанных ранее;

b) режим работы в проходящем свете: собирающая оптическая и оптико-осветительная системы расположены на противоположных сторонах образца. В большинстве случаев данный режим дополняют режимом работы в отраженном свете для повышения эффективности регистрации сигнала.

5.2.3 Контроль зазора между образцом и поверхностью образца

Зазор между зондом БСОМ и поверхностью обычно контролируют одним из двух методов, зависящих от типа зонда:

a) shear-force: зонд БСОМ прикреплен к пьезотрубке или камертону и вибрирует вдоль поверхности с амплитудой в несколько нанометров. Обратная связь обеспечивается для поддержания амплитуды, фазы или частоты постоянной вибрации. Для гомогенных поверхностей это обеспечивается постоянным зазором; для большинства материалов со структурированной поверхностью ситуация более сложная, но приблизительный постоянный зазор часто сохраняется;

b) кантилевер: зонд БСОМ консольный, так что могут быть использованы различные пути контроля наконечника атомно-силового микроскопа. В частности, отклонение лазерного луча от конца наконечника можно использовать для определения топографии поверхности и сохранения неизменной ширины зазора.

5.3 Методы измерения латерального разрешения БСОМ

Пространственное разрешение БСОМ в основном определяется размером диафрагмы зонда. Кроме того, особенности исследуемого образца, пикселизации и отношения "сигнал-шум" могут ухудшать разрешение микроскопа. Следовательно, пространственное разрешение БСОМ может быть определено только для конкретного прибора и конкретного образца. Пространственное разрешение сильно зависит от условий проведения измерений [2], таких как параметры образца, тип режима формирования изображения, механизм регулировки высоты, типа зонда БСОМ и других факторов, которые могут влиять на измерения пространственного разрешения.

Измерение пространственного разрешения БСОМ может быть выполнено несколькими методами, в том числе: измерения размера малейших особенностей, возникающих на изображении БСОМ [3], отображения мелких объектов во флуоресцентном режиме [4] - [7] и отображения образца, имеющего резкий оптически контрастный край [8].

В настоящем стандарте описан метод измерения небольшого объекта. Он основан на идее ТРФ [9], которая является основным понятием, определяющим пространственное разрешение оптического микроскопа. При использовании данного метода должны быть отмечены следующие ограничения:

a) при использовании БСОМ разрешение является результатом ближнепольных взаимодействий между образцом и зондом. Профиль интенсивности в ближней зоне диафрагмы даже для простейшей возможной диафрагмы (одиночная диафрагма в бесконечной плоскости) и при отсутствии взаимодействий с образцом - это не просто гауссово распределение. В основном форма поля изменяется вместе с формой диафрагмы, состоянием наружного металлического покрытия, поляризации подводимого света и т.д.;

b) при получении оптических изображений с помощью БСОМ возможно появление ошибочных, вызванных топографией артефактов ввиду оптического контраста [11]. Если оптический контраст образца низок по сравнению с фоновым сигналом, который не специфичен для оптических характеристик образца, то появление контраста в оптическом изображении БСОМ может возникнуть полностью или частично от изменения топографии на поверхности образца. Для уменьшения влияния изменения топографии на оптическое изображение БСОМ в настоящем стандарте описан флуоресцентный режим БСОМ, и для топографических высот отображаемых объектов введено ограничение до одной десятой ожидаемого значения латерального разрешения.

5.4 Параметры, влияющие на латеральное разрешение

5.4.1 Основная информация

Измерение латерального разрешения может зависеть от числа экспериментальных факторов, включающих физические свойства диафрагмы БСОМ, образца, режима контраста, состояния обратной связи, относительного расположения источника и детектора, инструментального шума. Ошибочно сформированные изображения, подверженные эффектам пикселизации, могут также влиять на разрешение, однако они не представляют собой фундаментальных ограничений и легко устранимы.

5.4.2 Размер апертуры зонда БСОМ

Размер апертуры зонда БСОМ является определяющим параметром. Меньшая апертура позволяет достичь более высокого разрешения. В то же время существует взаимосвязь между размером апертуры и отношением "сигнал-шум": меньшие апертуры имеют более низкую пропускную способность, что приводит к ухудшению отношения "сигнал-шум". Апертуры могут быть изготовлены различными способами. Наиболее распространены апертуры с внешним металлическим покрытием.

5.4.3 Состояние наружного металлического покрытия

Для покрытых металлом зондов важно, чтобы они не имели "проколов" в покрытии, т.к. проколы сильно ухудшают разрешение и контраст. Также важен метод формирования диафрагмы в металлическом покрытии. Например, при использовании методов травления с помощью фокусированного ионного пучка [12] или измельчения [13] на выходе получается зонд с более тупой формой наконечника, но ярко выраженной апертурой. Использование метода затемнения [14] обычно приводит к получению более острого наконечника зонда, однако граница диафрагмы может быть определена хуже. Гладкие и гомогенные покрытия, как правило, также вызывают более ограниченные и предсказуемые электромагнитные поля, тем самым обеспечивая лучшее качество изображения.

5.4.4 Вертикальный размер образца

Размер образца особенно важен, поскольку изменения топологии поверхности образца, как известно, способствуют оптическому контрасту изображения БСОМ. Данное явление, вызванное эффективным взаимопроникновением между топографическим и оптическим сигнальными каналами, приводит к появлению топографических артефактов в оптическом изображении [11]. Любое изменение в топографическом сигнале может вызвать модуляцию в оптическом сигнале, что приводит к появлению одинаковых характеристик в оптическом и топографическом изображениях, даже если этого нет в образце. Этот эффект часто наблюдают, если имеется сильный фоновый сигнал в оптическом сигнальном канале, который может быть нарушен модуляцией топографического сигнала. Поэтому изображения просвета или отражения, которым присущ фоновый оптический сигнал по всей области изображения, особенно подвержены топографическим артефактам. Данный эффект также более вероятен, когда тупой зонд используют для отображения поверхности с быстро изменяющейся топографией. В этом случае вариация (с изменением разделения наконечник - образец) оптической связи между зондом БСОМ и образцом приводит к топографическим артефактам.

Для того чтобы избежать появления вышеописанных артефактов, необходимо устранить изменения топографии в образце и фоновом оптическом сигнале настолько, насколько возможно. Свободный от топографии тестовый образец, при этом обеспечивающий оптический контраст, является хорошим решением для устранения изменений топографии на поверхности образца, несмотря на то что подготовка такого образца может стать технически трудно осуществима [3]. Оптический фон может быть эффективно устранен посредством формирования флуоресцентного изображения, где стоксовский сдвиг люминесценции детектируется, пока падающий свет лазера блокируется. В этом случае можно изолировать настоящий оптический сигнал от фонового сигнала, который может быть подвержен влиянию взаимопроникновения, потому что фоновый сигнал и флуоресцентный сигнал спектрально разделены [4]. Однако, даже используя флуоресцентное формирование изображения, если часть или целая отображаемая поверхность имеет фоновый флуоресцентный сигнал, любой оптический контраст в этом фоновом сигнале может появиться из-за топографических артефактов. Следовательно, в качестве тестового образца желательны изолированные наноразмерные флуоресцентные объекты на нелюминесцирующей подложке [4].

5.4.5 Латеральный размер образца

Данный параметр также важен при измерении латерального разрешения БСОМ. При формировании изображения малого объекта записанное на БСОМ изображение является сверткой объекта и ТРФ БСОМ. Следовательно, видимый размер объекта больший, чем ТРФ БСОМ. ТРФ БСОМ является не примером распределения Гаусса или Лоренца, а сложной функцией, которая зависит от грани апертуры, состояния внешнего металлического покрытия, входной поляризации, состояния светового соединения и т.д. В дополнение к этому невозможно осуществить развертку настоящего ТРФ БСОМ из наблюдаемого профиля малого объекта на изображении БСОМ. Поэтому рекомендуется снизить влияние размера объекта, калибруясь с использованием объектов с размерами много меньшими, чем теоретически доступное разрешение БСОМ. В этом случае при максимальном приближении можно принять ШПВ наблюдаемого профиля малого объекта как ШПВ БСОМ ТРФ (см. 6.2).

5.4.6 Поляризация излучаемого света

Различные поляризации могут формировать различные изображения БСОМ одного и того же образца в одинаковых экспериментальных условиях; следовательно, рекомендуется позаботиться о выборе входной поляризации падающего света. Поляризация сильно влияет на распределение поля вокруг апертуры зонда БСОМ в обоих случаях, когда апертура зонда БСОМ изотропна и нет. Также это оказывает влияние на ТРФ БСОМ и тем самым на оценку латерального разрешения.

Кроме того, существуют определенные чувствительные к поляризации образцы с анизотропным поглощением или флуоресценцией [16], которые дают различный оптический контраст в полученных изображениях БСОМ в зависимости от поляризации входного света. Следовательно, не следует использовать эти типы образцов в качестве тестовых для БСОМ.

5.4.7 Зазор между зондом и поверхностью образца

Зазор между зондом БСОМ и поверхностью образца имеет прямое влияние на результат формирования изображения БСОМ. Ближнепольное распределение на поверхности образца зависит от расстояния от поверхности образца, в связи с чем, по мере того как расстояние между зондом и поверхностью возрастает, пространственное разрешение и оптическая интенсивность стремительно уменьшаются. Поэтому ширину зазора должны регулировать с целью устранения влияния на формирование изображения БСОМ. В теории самый маленький зазор создает лучшее разрешение, однако для стабильной работы БСОМ выбирают оптимальный зазор.

5.4.8 Собирающая оптика

Собирающая оптика с высокой ЧА дает улучшенный контраст, что позволяет получить более высокое разрешение за счет улучшения соотношения "сигнал-шум", позволяющего использовать меньшие апертуры. Конфокальный пинхол напротив фотодетектора может улучшить контраст за счет исключения фонового света.

5.4.9 Фотодетектор

Излучение, собранное с помощью зонда БСОМ, относительно слабое, иногда всего лишь несколько пиковатт. Для улучшения отношения "сигнал-шум" и упрощения использования зондов БСОМ с маленькими апертурами рекомендуется применение высокочувствительных детекторов, таких как ТФУ или ЛФД.

5.4.10 Режим контраста

В зависимости от выбора режима контраста могут быть получены различные значения латерального разрешения даже при использовании одного и того же образца. В настоящем стандарте описан только флуоресцентный режим для определения латерального разрешения БСОМ.

6 Измерение латерального разрешения с помощью формирования изображения очень маленького объекта

6.1 Общая информация

Создание изображения очень маленького объекта для оценки латерального разрешения имеет определенное преимущество - может быть получен двумерный профиль, содержащий информацию о ТРФ БСОМ из единичного изображения БСОМ (см. рисунок 1). Латеральное разрешение может быть определено как ШПВ ТРФ. Так как конечный размер малого объекта соответствует наблюдаемому размеру объекта в изображении БСОМ, следует понимать, что наблюдаемое изображение объекта есть свертка ТРФ и пространственного разрешения малого объекта. В данном методе может быть использован широкий ассортимент образцов и наночастиц, таких как наноразмерные полимерные шарики [4], КТ [5] и одиночные молекулы [6] - [7]. Для минимизации возможного влияния контраста от топографии поверхности должно быть использовано построение изображения по фотолюминесценции стоксова сдвига для уменьшения фонового оптического сигнала, а размер частиц должен быть маленьким по сравнению с ожидаемым разрешением БСОМ.

Рисунок 1 - Получение БСОМ изображения наночастиц или КТ (ШПВ поперечного среза профиля используется для достижения латерального разрешения инструмента БСОМ)

6.2 Выбор образца и требования к нему

В данном методе в качестве образца может быть использован любой вид малых флуоресцирующих объектов. Известно, что при размере объекта в 1/4 от латерального размера луча влияние на полученную ШПВ составляет 1% для гауссового луча и 3% ШПВ для лоренцева луча соответственно [15]. В настоящем стандарте латеральный размер объекта должен быть менее 1/4 ожидаемого латерального разрешения, и с целью минимизации топографических артефактов топографические высоты объектов должны быть менее 1/10 ожидаемого латерального разрешения.

6.3 Настройка параметров перед использованием микроскопа

Поскольку изображение БСОМ сильно зависит от навыков оператора и параметров эксперимента, разными операт