Современные методы исследования наноструктур : метод оптической поверхностно-плазмонной микроскопии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2055 

Кафедра физики

С.И. Валянский 
Е.К. Наими 
 

Современные методы 
исследования наноструктур 

Метод оптической  
поверхностно-плазмонной микроскопии 

Учебное пособие 

Под редакцией профессора Д.Е. Капуткина 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2011 

УДК 538.975 
 
В16 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Х. Векилов 

Валянский, С.И. 
В16  
Соврменные методы исследования наноструктур : метод оптической поверхностно-плазмонной микроскопии : учеб. пособие / С.И. Валянский, Е.К. Наими ; под ред. Д.Е. Капуткина. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 173 с. 
ISBN 978-5-87623-460-5 

Настоящее пособие является первым из планируемых учебных пособий 
под общим названием «Современные методы исследования наноструктур». 
Цель данного пособия – дать представление о бурно развивающемся в последнее время методе исследования вещества с помощью поверхностных 
плазмон-поляритонных волн и, в частности, о методе оптической поверхностно-плазмонной микроскопии. Рассмотрены вопросы теории взаимодействия электромагнитных волн с веществом (нормальная и аномальная дисперсия), условия возбуждения и распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на границе раздела металл – диэлектрик, дисперсионное 
соотношение для ПЭВ, различные типы ПЭВ. Описаны существующие методы получения и регистрации ПЭВ. Приведены многочисленные примеры 
применения поверхностного плазмонного резонанса (ППР), в том числе: определение оптических характеристик металлов с помощью ПЭВ, оптический 
микроскоп на поверхностных плазмонах, ППР-спектроскопия биомолекул, 
сенсорные устройства и др. Дается представление о новом классе материалов – метаматериалах и возможностях их применения (суперлинза, фотонные 
кристаллы). Очерчены направления развития новых отраслей науки и техники, таких как нанофотоника и плазмоника.  
Содержание пособия соответствует учебной программе курса «Наноматериалы». 
Предназначено для самостоятельной работы студентов магистратуры и 
аспирантов, обучающихся по направлениям 150100 (Металлургия) и 210602 
(Электроника и наноэлектроника). 
УДК 538.975 

ISBN 978-5-87623-460-5 
© С.И. Валянский, 
Е.К. Наими, 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

От редактора .............................................................................................5 
Принятые сокращения..............................................................................6 
Введение....................................................................................................7 
1. Взаимодействие электромагнитных волн 
с веществом. Дисперсия электромагнитных волн...............................18 
1.1. Основные представления классической 
электронной теории Друде – Лоренца..............................................19 
1.2. Теория нормальной дисперсии. Поляритонные 
волны ...................................................................................................22 
1.3. Аномальная дисперсия и поглощение 
электромагнитных волн .....................................................................34 
2. Поверхностные плазмон-поляритонные волны...............................40 
2.1. Дисперсионное соотношение для поверхностных 
ППВ...................................................................................................................41 
2.2. Поверхностные ППВ на границе металла 
с диэлектриком ...................................................................................46 
2.3. Цилиндрические ПЭВ .................................................................49 
3. Экспериментальные методы возбуждения и 
регистрации ПЭВ....................................................................................50 
3.1. Призменный метод возбуждения ПЭВ......................................50 
3.1.1. Схема Отто............................................................................51 
3.1.2. Схема Кречмана....................................................................52 
3.2. Решеточный метод возбуждения ПЭВ ......................................61 
3.3. Исследование свойств ПЭВ........................................................65 
3.3.1. Различные типы ПЭВ...........................................................65 
3.3.2. Причины и следствия затухания ПЭВ................................68 
3.3.3. Влияние температуры на свойства ПЭВ ............................70 
3.3.4. Измерение длины пробега ПЭВ ..........................................70 
3.3.5. Измерение времени жизни ПЭВ..........................................71 
4. Применения поверхностного плазмонного резонанса....................72 
4.1. Возможности ППР.......................................................................72 
4.2. Использование ППР в спектроскопии.......................................75 
4.2.1. Определение оптических характеристик 
металлов с помощью ПЭВ.............................................................75 
4.2.2. ППР-спектроскопия биомолекул ........................................80 
4.2.3. Туннелирование света сквозь металлическую 
пленку ..............................................................................................82 

4.3. Оптическая поверхностно-плазмонная 
микроскопия........................................................................................84 
4.3.1. Преодоление дифракционного предела в 
оптике ..............................................................................................84 
4.3.2. Ближнепольный сканирующий оптический 
микроскоп........................................................................................85 
4.3.3. Оптический микроскоп на поверхностных 
плазмонах ........................................................................................93 
4.4. Сенсорные устройства ................................................................96 
4.4.1. Определение параметров тонких 
многослойных пленок ....................................................................97 
4.4.2. Применение ППР для биохимических 
анализов...........................................................................................99 
4.4.3. ППР сенсоры с параллельным световым 
пучком ...........................................................................................101 
4.4.4. ППР сенсоры с расходящимся световым 
пучком ...........................................................................................104 
4.4.5. Компактные ППР сенсоры со сменными 
чувствительными элементами.....................................................106 
4.4.6. Волоконно-оптические ППР сенсоры...............................112 
4.5. Метаматериалы..........................................................................114 
4.5.1. Пространственная дисперсия и 
отрицательное преломление света..............................................114 
4.5.2. Суперлинза..........................................................................120 
4.5.3. Фотонные кристаллы..........................................................126 
4.6. Нанофотоника и плазмоника....................................................133 
Заключение............................................................................................146 
Personalia ...............................................................................................148 
Библиографический список.................................................................152 
Вопросы для самопроверки .................................................................160 
Контрольные вопросы..........................................................................169 
Приложение ..........................................................................................171 
 

ОТ РЕДАКТОРА 

Развитие физики показывает, что появление нового знания сохраняет большую 
часть предыдущего. При этом мы выясняем область применимости старого знания. 
Например, открытие квантовой механики и теории относительности не отменили 
классическую физику, а лишь позволили выяснить область применимости макроскопического описания. 
Новое знание не отменяет необходимости изучения прошлого. Более того, чтобы 
разобраться в новом необходимо базовое знание. Овладев этим знанием, можно освоить и новое знание, поскольку оно, как правило, опирается на базовые закономерности. Но новое знание еще не вошло в общий курс, так как оно находится пока в 
стадии становления, не превратилось в рутинное знание. 
Кроме знания уже общепринятых положений будущий специалист должен иметь 
представление о новых перспективных направлениях в развитии физики, во-первых, 
чтобы ориентироваться в появляющихся новшествах, а во-вторых, чтобы выбрать 
направление собственных исследований. Трудно определить заранее, какие технологии дадут толчок к развитию, а какие нет. В этом может помочь фундаментальное 
знание. 
Обычно науку делят на прикладную и фундаментальную. Одно из главных различий между ними состоит в том, что фундаментальная наука создает рабочие места, а прикладная наука их уничтожает. 
Фундаментальное знание особенно полезно при создании так называемых закрывающих технологиях. Именно они открывают новые рынки и являются максимально конкурентоспособными. Например, появление цифровых фотоаппаратов 
закрыло производство пленочных, сотовые телефоны уменьшили рынок стационарных проводных аппаратов. 
В учебных пособиях по современным методам исследования наноструктур предполагается дать информацию о некоторых появившихся в последнее время новых 
направлениях и методах в современных исследованиях. В данном пособии описывается новое направление в исследовании поверхностей, тонких пленок и наночастиц 
методами оптической поверхностно-плазмонной микроскопии. 
Современная оптика, сильно изменившаяся после появления лазеров и голографии, 
в последнее десятилетие пополнилась новым перспективным разделом – оптикой 
поверхностных электромагнитных волн. Эти волны локализованы в ограниченной 
области пространства, и распространяются лишь вдоль границы раздела двух разнородных сред. Их распространение очень чувствительно к свойствам областей, в которых они распространяются. Кроме того, есть надежды, что их применение будет плодотворным для создания оптических наночипов, а также в развитии информационных 
технологий. 
 
Д. Капуткин 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 

БПО – ближнепольная оптика 
БСОМ – ближнепольный сканирующий оптический микроскоп 
ГВГ – генерация второй гармоники 
ГКР – гигантское комбинационное рассеяние 
ИК – инфракрасный 
КАРС – комбинационное антистоксовое рассеяние света 
ЛП – локализованный плазмон 
НПВО – нарушенное полное внутреннее отражение 
НФ – нанофотоника 
ОППМ – оптический поверхностно-плазмонный микроскоп 
ПАС – поверхностно-активная среда 
ППВ – плазмон-поляритонная волна 
ППК – плазмон-поляритонный кристалл 
ППП – поверхностный плазмон-поляритон 
ППР – поверхностно-плазмонный резонанс 
ПЭВ – поверхностная электромагнитная волна 
СВЧ – сверхвысокие частоты (от 300 МГц до 300 ГГц)  
СТМ – сканирующий туннельный микроскоп 
ФК – фотонный кристалл 
ЦПЭВ – цилиндрическая поверхностная электромагнитная волна  
LHM – Left-Handed Materials (левые материалы) 
NRM – Negative Refraction Materials (материалы с отрицательным преломлением)  
RHM – Right-Handed Materials (правые материалы) 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Основные понятия о поверхностных 
электромагнитных волнах 

В последние десятилетия изучение свойств поверхности вылилось 
в самостоятельную, бурно развивающуюся часть физики – физику 
поверхности. Сейчас трудно назвать какой-либо раздел естественных 
наук, который в той или иной степени не касался бы вопросов, связанных с поверхностными явлениями. 
В большинстве случаев концентрация атомов в поверхностных 
фазах всегда существенно меньше, чем в объеме используемых материалов, что требует резкого повышения чувствительности методов 
анализа поверхности. В связи с этим возник естественный вопрос: 
можно ли использовать оптические методы для исследования поверхностей, границ раздела и очень тонких поверхностных слоев? 
Ведь глубина проникновения электромагнитной волны во внутрь 
конденсированной среды составляет, по меньшей мере, 50 атомных 
слоев, что означает малость отношения поверхностного отклика к 
объемному. 
В физике известно такое явление, как поверхностные волны. Поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), или поверхностные 
поляритоны (surface polaritons), – это особый вид макроскопических 
электромагнитных волн, распространяющихся вдоль границы раздела 
сред. Поле таких волн прижато к поверхности и локализуется в основном в слое, размеры которого с каждой стороны от границы, как 
правило, порядка длины волны. Распространение таких волн, в отличие от объемных, очень чувствительно к свойствам поверхности, по 
которой они распространяются. 
Энергия ПЭВ складывается из энергии электромагнитного поля и 
энергии возбуждения среды. В качестве последней это может быть 
энергия механических колебаний решетки, электронов в металлах, 
экситонов в полупроводниках. В зависимости от вида взаимодействия фотонов с различными возбуждениями среды – оптическими фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и т.д. – их называют 
соответственно фононными поляритонами, экситонными поляритонами (светоэкситонами), плазмонными поляритонами, магнонными 
поляритонами и т.д. Но суть у них одна – они прижаты к поверхности и распространяются вдоль нее. 

Поляритоны – это составные квазичастицы, возникающие при 
взаимодействии фотонов и элементарных возбуждений среды. Взаимодействие электромагнитных волн с возбуждениями среды становится особенно сильным, когда их частоты ω и волновые векторы k


совпадают (резонанс). В этой области образуются связанные волны – 
поляритоны, которые обладают характерным законом дисперсии 
ω( )
k
.

Квазичастицы (quasiparticles) – это элементарные возбуждения 
(кванты коллективного колебания) совокупности сильно взаимодействующих частиц. Понятие о квазичастицах является фундаментальным в физике конденсированного вещества (и в физике твердого тела, в частности). Введение концепции квазичастиц существенно упростило методы описания широкого круга процессов в системах 
многих частиц с сильным взаимодействием. Оно позволило свести 
сложную динамику системы сильно взаимодействующих частиц к 
более простой динамике слабозависимых объектов.  
Квазичастицы, так же как и обычные частицы, могут быть локализованы в пространстве и сохранять свою локализацию в процессе 
движения; могут взаимодействовать как с частицами, так с другими 
квазичастицами. При этом выполняются механические законы сохранения квазиимпульса и квазиэнергии. Для квазичастиц с квадратичным законом дисперсии может быть также введено понятие эффективной массы – поведение такой квазичастицы во многом сходно 
с поведением обычной частицы. Квазичастицы могут иметь дробный 
электрический заряд.  
В качестве примеров квазичастиц можно привести следующие: 
фонон – квант упругих колебаний, плазмон – квант колебаний плотности заряда, магнон – квант колебаний спинов в магнитноупорядоченных системах. Существуют и более сложные квазичастицы, представляющие собой комбинации простых. Например, экситон – электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, 
каждый из экситонов состоит из электрона и дырки, которые в твердом теле являются квазичастицами. Если у двух типов квазичастиц в 
данной системе имеются близкие значения энергии и импульса, то 
происходит смешивание (гибридизация) таких квазичастиц. Так, 
смешивание фотона с экситоном или оптическим фононом ведет к 
появлению поляритона. 
Условия существования поверхностных поляритонов требуют того, чтобы диэлектрические проницаемости граничащих сред были 

противоположного знака, т.е. одна из них должна быть отрицательной. В статике это осуществить нельзя, в случае же переменного 
электромагнитного поля можно реализовать ситуацию, при которой 
наведенная в среде поляризация имеет противоположное направление относительно возбуждающего ее поля, и таким образом получить 
отрицательную диэлектрическую проницаемость.  
ПЭВ – это нерадиационные волны – их нельзя возбудить непосредственно с помощью световых волн, распространяющихся в одной из двух сред, поскольку фазовая скорость ПЭВ меньше, чем фазовая скорость света в среде. 
Особый интерес представляют ПЭВ в металле, называемые поверхностными плазмон-поляритонными (ППП) волнами.  
Плазмоны (plasmons) – это коллективные колебания плотности 
свободного электронного газа, например, в области оптических частот. Плазмон – это квант плазменных колебаний, он подобен фотонам и фононам. Плазмоны возникают в твердых телах или вблизи их 
поверхности в результате коллективных колебаний электронов проводимости относительно ионов. Объемные плазмоны описывают колебания электронов проводимости внутри ионной решетки кристалла. Поверхностные плазмоны – это кванты колебаний плотности свободных электронов металла, распространяющиеся только вдоль его 
границы с диэлектриком. Плазмонный поляритон – это результат 
взаимодействия плазмонов с фотонами. 
Плазмоны играют большую роль в оптических свойствах металлов. Свет, частота которого ниже плазменной частоты, отражается, 
так как электроны в металле экранируют электрическое поле света. 
Свет с частотой выше плазменной пропускается, потому что электроны не могут достаточно быстро реагировать и экранировать его. 
У многих металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовый области, что делает их блестящими (за счет отражения) в видимом диапазоне. Некоторые металлы, такие как медь и золото, имеют 
электронные переходы в видимой области спектра, что приводит к 
поглощению света на этой частоте, и металл приобретает соответствующий цвет. 
Энергия плазмонов часто может быть оценена с помощью модели 
свободных электронов по формуле 

 

2

0

p
ne
E
m
=
= ω
ε
ℏ
ℏ
, 

где п – плотность электров проводимости; е – элементарный заряд; 
m – масса электрона; ε0– электрическая постоянная (диэлектрическая 
проницаемость вакуума); ћ – постоянная Планка; ωр –плазменная 
частота. 

История развития представлений 
о поверхностных плазмон-поляритонах 

Тысячелетиями стеклодувы невольно использовали плазмонполяритонные эффекты, когда создавали витражи и красочные кубки 
из стекла, в котором содержались мельчайшие металлические частицы. Самый известный пример – чаша Ликурга, римский кубок, датируемый IV в. н.э. и хранящийся сейчас в Британском музее. Из-за 
плазмонного возбуждения электронов в металлических частицах, 
содержащихся в стеклянной матрице, материал кубка поглощает и 
рассеивает синий и зеленый свет. Если рассматривать чашу в отраженном свете, рассеивание на плазмонах придает ей зеленоватый 
оттенок, но если внутрь кубка поместить источник белого света, 
стекло кажется красным, потому что пропускает только длинные 
(красные) световые волны и поглощает короткие (синие). 
Теория ПЭВ была создана в начале прошлого века. В 1901 г., когда 
Г. Маркони (G. Marconi) осуществил радиопередачу через Атлантический океан на частоте 30 кГц, было высказано предположение, что в его 
опытах возбуждался новый тип радиоволны – ПЭВ. Потребовалось 
теоретическое описание этого явления. Была поставлена задача описать распространение вдоль поверхности диэлектрической среды локализованных около нее электромагнитных волн, у которых амплитуда убывала 
бы экспоненциально с ростом расстояния от поверхности как вглубь 
диэлектрика, так и в сторону контактирующего с ней вакуума. 
В это же время, в 1902 г., Р. Вуд (R. Wood), изучая свойства металлических дифракционных решеток, обнаружил на некоторых частотах 
отклонение распространения света от законов дифракции [1]. Эти 
отклонения были названы аномалиями Вуда. Аномалии состояли в 
появлении светлых и темных полос в спектре источника света, отраженного от дифракционной металлической решетки. Наблюдаемые 
Вудом особенности были обнаружены только для падающего, так 
называемого p-поляризованного излучения, при котором брэгговский 
вектор решетки лежит в плоскости падения.  
Первая попытка теоретического объяснение аномалий Вуда была 
предпринята в 1907 г. Рэлеем (Rayleigh) [2, 3]. Для решения дифрак