Файл: Задачи работы.docx

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ

Введение
Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего от­ражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отра­жается и распространяется вдоль этого волокна.

Стремление повысить плотность передаваемой через оптоволокно информации и энергии приводит к микро- и даже наноструктурированию его сердцевины, диаметр которой составляет 10 микрон для стандартных одномодовых волокон и 50…100 микрон для многомодовых.

К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие: фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне; развитие нанотехнологий для целенаправленного создания наноматериалов, а также поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки; развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

Цель работы – раскрыть сущность существующих волоконных оптических методов в нанотехнологии.

Задачи работы:

• 
  рассмотреть нанотехнологии для волоконной оптики;
  
• 
  рассмотреть волоконные оптические методы.
  

Содержание

1. Нанотехнологии для волоконной оптики
Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала , используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения [2].

Различают следующие виды: наноструктурированное оптоволокно, полостные волокна, оптоволокно с фотонным кристаллом.

Наноструктурированное оптоволокно может быть изготовлено целиком из одного типа стекла. Внешний слой с низким показателем пре­ломления здесь заменен на большое количество цилиндрических полостей, заполненных определен­ным газом или просто воздухом: стеклянные капилляры относительно большого размера складываются вместе в желае­мую структуру, которая в последствии вытягивается под нагревом в оптоволокно с определенным рас­положением воздушных полостей, геометрия ко­торых определяется изначальным расположением капилляров. В зависимости от того как реализован механизм полного внутреннего отражения, такие волокна можно разделить на два типа: полостные волокна и волокна на фотонных кристаллах. 

Полостные волокна: стеклянная центральная часть окружена набором цилиндрических воздуш­ных полостей, что снижает эффективный показа­тель преломления и сильно модифицирует эффект полного внутреннего отражения. Поскольку раз­мер воздушных полостей и расстояние между ними сравнимы с длиной волны света, то эффективный показатель преломления будет варьироваться с длиной волны проходящего света. Результатом этого является способность та­кого оптоволокна нести только одну моду, вне за­висимости от длины волны. Такие волокна обычно используются для передачи высоких мощностей света и обладают низкой нелинейностью.

Оптоволокно с фотонным кристаллом использует идею полного внутреннего отражения. Локализация света в центре такого волокна происходит за счет явления интерференции на периодической струк­туре с размером порядка длины волны, созданной решеткой цилиндрических полостей — фотонным кристаллом. Идея фотонного кристалла состоит в том, что в периодической структуре лучи света, отраженные от областей с разным показателем преломления, будут интерферировать друг с другом, усиливаясь или ослабляясь в зависимости от соотношения дли­ны волны и периода структуры. Подобные явления придают яркую окраску крыльям некоторых бабо­чек и голограммам на кредитных карточках. В фотонном кристалле интерференциия запре­щает распространение для целого диапазона длин волн — в этом случае речь идет о «запрещенной зоне». Такие запрещенные моды (длины волн) будут локализованы в центральной части волокна на всем его протяжении. Таким образом создавать определенную разницу в показателях преломления между внутренней и внешней обла­стями в оптоволокне — выбор материала для вну­тренней части теперь ничем не ограничен. Более того, чаще всего используются полые волокна с фо­тонным кристаллом, где свет распространяется вну­три воздушной полости в центре волокна . Преимущество таких волокон состоит в бесконечно малой дисперсии, поскольку свет теперь распро­страняется в практически бездисперсионной среде — воздухе [7].

2. Волоконные оптические методы
В настоящее время существует целый ряд методов получения информации о структуре вещества в нанометровом диапазоне измерений. Среди них сканирующая зондовая и электронная микроскопия, различные виды спектроскопии, рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс и другие.

Представленные в сводной таблице методы являются базой для реализации на их основе различных средств измерений СЗМ.

Основные методы измерений и измеряемые свойства нанообъектов приведены в табл. 1 [9].

Таблица 1. Методы измерений и измеряемые свойства объектов

Наименование метода	Диапазон измерений	Измеряемые свойства
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) или скани- рующая силовая микроскопия (ССМ)	Глубина: 0,5–5 нм; боковое разреше- ние: 0,2–130 нм	Топология, неровности поверхности, эластичность поверхности, размер зерна, фрикционные характеристики, удельные молекулярные взаимодействия и магнитные характеристики поверхности, общая плотность состояний (валентных) электронов до фермиуровня на поверхности
Сканирующая туннельная микро- скопия (СТМ)	Глубина: 1–5 нм; боковое разреше- ние: 2–10 нм	Трехмерная топология поверхности: размер, форма, неровности поверхности, дефекты, электронные структуры и местная плотность состояний
Растровая элек- тронная микро- скопия (РЭМ)	Глубина: 1 нм– 5мкм; боковое раз- решение: 1–20 нм	Топография: характеристики поверхности. Морфология: форма и размер частиц. Состав: элементы и соединения, из которых состоит образец. Кристаллографическая информация: расположение атомов
Просвечивающая электронная мик- роскопия (ПЭМ)	Глубина: 200 нм; боковое разреше- ние: 2–20 нм	Морфология: размер и форма частиц Кристаллографическая информация: обнаружение дефектов атомной шкалы Информация по составу: элементы и соединения, из которых состоит образец и информация о присутствующих фазах (замер параметров кристаллической решетки) и ориентация образца
Растровая просве- чивающая элек- тронная микро- скопия (РПЭМ)	Глубина: 200 нм; боковое разрешение: 2–20 нм	Структурная, химическая и морфологическая информация

---

Продолжение таблицы 1.

Сканирующая оп- тическая микро- скопия ближнего поля (СОМП)	Разрешение: 50–100 нм	Химические особенности и ориентационная информация
Спектроскопия энергетической дисперсии рентге- новского излуче- ния	0,1 мкм для более тяжелых атомов и 1 мкм для более легких элементов	Концентрация каждого элемента в образце, идентификация осаждений в сплавах, активные фазы в катализаторах, элементарная сегрегация на границах зерна, количественный состав многокомпонентных фаз
Рентгеновская аб- сорбционная спек- троскопия (РАС)		Структурная информация (связи, координация, количество)
Спектроскопия одиночных моле- кул (SMS)		Индивидуальные функциональные характеристики молекулярных систем, такие как, например, перенос возбуждения, разделение заряда и флуоресцентные воздействия
Электронная Оже- спектроскопия (ЭОС)	Глубина: 0,3–3 нм; боковое разреше- ние 30 нм	Химический анализ: состав поверхностных слоев образца, атомные уровни
Поляризационная спектроскопия		Ориентация возбуждения и миссия; дипольные моменты переходов
Раман- спектроскопия		Химическая информация: концентрация примесей. Вибрационная информация

Разработка стандартов, измерительных технологий для диагностики свойств материалов, мониторинга нанопроцессов, определения параметров средств производства, а также средств анализа структур должна базироваться на современной эталонной базе, использующей в своей основе научные принципы квантовой метрологии. Так, например, во многих случаях невозможно применение контактных средств измерения температуры, использование радиационных термометров требует точного знания излучательной способности объекта. Высокоэффективные нанотехнологические процессы, такие как ионно-плазменное напыление, создание чистых подложек и др., требуют получения и поддержания вакуумной среды и контроля её параметров на уровне нанопаскаля (нПа) [9].

---

При изучении нанометрических размеров большую часть информации о создании устройств и материалов получают с помощью микроскопии. Чтобы получить больше информации о нанометре, необходимо постоянное усовершенствование инструментов и оборудования. Используя такой подход, можно не только получить представление о топологии или морфологии нанообъектов, но и определить другие параметры, такие как химический состав, прочность, проводимость и др.

Сканирующий зондовый микроскоп – это инструмент со множеством возможностей. С его помощью можно строить реальные трехмерные изображения с широким динамическим диапазоном, охватывающим традиционные «сферы деятельности» оптических и электронных микроскопов [3]. Это также и профилометр с беспрецедентным разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп может измерять различные физические свойства.

Изображения, получаемые с помощью СЗМ, относятся к разряду создаваемых микроскопическими методами образов, которые достаточно легко интерпретировать. В случае электронного или оптического микроскопа принцип получения изображения базируется на сложных электромагнитных дифракционных эффектах. Поэтому иногда могут возникнуть затруднения при определении, является ли некоторый элемент микрорельефа поверхности выступом или впадиной. Напротив, СЗМ регистрирует истинно трехмерные параметры. На СЗМ-изображении выступ однозначно предстает выступом, а впадина ясно видна как впадина. На получаемых при помощи оптических или электронных микроскопов изображениях, например, плоского образца, состоящего из чередующихся отражающих и поглощающих участков, могут возникать искусственные изменения контрастности.

Сканирующая туннельная микроскопия – метод микроскопии, позволяющий изучать электропроводящие поверхности в соответствии с атомной шкалой [9]. СТМ дает картину атомной схемы поверхности путем выявления неровностей в плотности электронов, которые обусловлены положением атомов.

Основное применение СТМ – это измерения топографии. Именно благодаря своей чрезвычайно высокой чувствительности СТМ способен формировать изображения поверхностей с субангстремной точностью по вертикали и атомным латеральным (т. е. в горизонтальном направлении) разрешением.

Сканирующая туннельная спектроскопия (СТС) является наряду с измерениями топографии другой важной областью приложения СТМ. В первом приближении образ, составленный из значений тока туннелирования, отражает топографию поверхности образца. Если же говорить более точно, туннельный ток соответствует электронной плотности со стояний поверхности. В действительности СТМ регистрирует количество заполненных или незаполненных электронных состояний вблизи поверхности Ферми в диапазоне значений энергии, определяемом прикладываемым рабочим напряжением. Можно сказать, что СТМ измеряет скорее не физическую топографию, а поверхность постоянной вероятности туннелирования.

---

Чувствительность СТМ к местной электронной структуре может вызвать затруднения, если необходимо картографировать топографию (т.е. получить изображение топографии) [9]. Например, если какой-то участок образца окислен, то, когда острие сканирующей иглы попадет на него, туннельный ток резко уменьшится.

СТМ, работающий в режиме постоянного тока, даст команду острию приблизиться к поверхности, чтобы поддержать установленную величину тока туннелирования. В результате острие может углубиться в поверхность. В то же время чувствительность СТМ к электронной структуре может быть огромным преимуществом. Более традиционные спектроскопические методы, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия или инверсная фотоэмиссионная спектроскопия, детектируют и усредняют данные, исходящие с относительно большой площади размерами от нескольких микрон до нескольких миллиметров в поперечнике. СТМ, наоборот, может получать спектры с площадей, сравнимых по размерам с отдельными атомами.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ), или сканирующая силовая микроскопия (ССМ), была изобретена в 1986 г. Биннигом, Кватом и Гербером [4]. Как и любая сканирующая микроскопия, АСМ использует датчик большой резкости, перемещающийся по поверхности образца в растровой разверстке.

Атомно-силовые микроскопы (АСМ) появились как развитие СТМ- технологии, однако заложенные в них совершенно иные принципы позволяют исследовать поверхности любых материалов – проводящих, полупроводников, а также изоляторов, т. е. непроводящих электрический ток [9]. АСМ зондируют поверхность образца острой иглой длиной 1– 2 мкм и диаметром обычно не более 10 нм. Игла устанавливается на свободном конце измерительной консоли.

Основной принцип работы АСМ заключается в воздействии сил со стороны поверхности образца на острие сканирующей иглы. Силы, которые чаще всего ассоциируются с АСМ, – это межатомные силы, называемые также вандерваальсовыми.

Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) отображает пространственные вариации магнитных сил на поверхности образца [7]. Особенностью конструкции МСМ является то, что острие сканирующей иглы покрывается тонкой ферромагнитной пленкой. МСМ работает в бесконтактном режиме и детектирует изменения в резонансной частоте измерительной консоли, обусловленные изменениями магнитного поля в зазоре между острием сканирующей иглы и образцом. МСМ может визуализировать естественно встречающиеся и свободно записанные доменные структуры в магнитных материалах.

---

Изображения, полученные с помощью МСМ, содержат информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности. Какая информация преобладает на изображении, зависит от величины расстояния между острием и поверхностью, потому что межатомная магнитная сила существует при больших зазорах, чем это наблюдается для вандерваальсовой силы. Если острие находится близко к поверхности (< 10 нм), то в режиме работы стандартного бесконтактного АСМ на изображении будет отражена преимущественно топография. При увеличении зазора между острием и образцом (примерно до 30–300 нм) влияние топографии снижается и становятся видны магнитные эффекты. Анализируя ряд изображений, полученных при различной высоте острия над поверхностью, можно успешно отделить магнитные эффекты от влияния топографии. Подобное поведение характерно также и для электростатических сил.

В электростатическом силовом микроскопе (ЭСМ) напряжение прикладывается между острием и образцом, в то время как измерительная консоль движется над поверхностью, не касаясь ее. Консоль отклоняется, когда попадает на статически заряженные области. Величина этого отклонения пропорциональна плотности заряда и может быть измерена стандартной системой. ЭСМ применяется для исследования распределения поверхностной плотности носителей заряда.

С помощью сканирующей термальной микроскопии (СТерМ) визуализируются локальные вариации теплофизических параметров поверхностей. Данная методика реализуется за счет использования терморезистивного зонда, работающего в одном из двух режимов – постоянного тока или постоянной температуры [8].

В первом случае электрическое сопротивление термочувствительного зонда изменяется вместе с изменением температуры в данной точке сканирования. Это регистрируется путем измерения падения напряжения при пропускании через зонд слабого постоянного тока, исключающего, однако, его нагрев. При такой схеме работы картографируются температурные поля на сканируемой поверхности.

В режиме постоянной температуры отслеживается тепловой поток от зонда к образцу при поддержании постоянной температуры зонда, что позволяет визуализировать локальные изменения теплопроводности поверхности образца. Набор данных составляется из значений напряжения, прикладываемого к зонду для его обогрева и изменяющегося в каждой точке сканирования в зависимости от теплопроводности материала

---