Лаунец В. Л., Олійник В. В. Радіофізичний факультет, Київський національний університет імені Тараса Шевченко пр. Глушкова 2/5, Київ 03127, Україна тел. (38-044) 266 0551, E-mail: oliynyk@univ.kiev.ua

Анотація Наведено експериментальні результати та їх якісне пояснення, що дозволяють зробити висновок про доцільність оптимізації розмірів виступаючого внутрішнього провідника коаксіального зонда бліжнеполевого мікрохвильового мікроскопа. Виявлена ​​і якісно пояснена не монотонна залежність чутливості мікроскопа до неоднорідності від відстані між зондом і зразком для випадку неоднорідності типу діелектрик на металі.

I. Введення

У ряді робіт, присвячених вивченню можливостей, які виникають завдяки використанню бліжнеполевого взаємодії, зокрема, в бліжнеполевой мікрохвильової мікроскопії [1,2], в якості основного елемента установки зонда використовується відрізок коаксіального хвилеводу або чверть-хвильовий коаксіальний резонатор, в області кінчика виступаючого центрального провідника якого і реалізується режим бліжнеполевого взаємодії.

Якість і повнота інформації, що отримується при бліжнеполевом взаємодії, в значній мірі залежить від параметрів зонда і, насамперед, від параметрів виступаючої частини його центрального провідника (Діаметра, довжини, радіуса заокруглення тощо), а також від відстані між зондом і взірцем. Тому вивчення залежності параметрів взаємодії від згаданих вище конструктивних характеристик пристрою представляє певний практичний інтерес. Так, уже вважається загальновідомим [2], що роздільна здатність бліжнеполевого мікроскопа визначається діаметром виступаючої частини внутрішнього провідника і практично не залежить від довжини хвилі випромінюваного зондуючого сигналу. Встановлено також, що роздільна здатність пристрої [3], а також інтенсивність сигналу, відбитого від неоднорідності при бліжнеполевом взаємодії, тобто чутливість пристрою, залежать від довжини виступаючої частини центрального провідника і при певному співвідношенні між діаметром апертури d і довжиною виступаючої частини центрального провідника Д1 мають максимум.

В руслі обумовлених вище досліджень нами були проведені експерименти по з’ясуванню залежності чутливості і роздільної здатності пристрою від довжини виступаючої частини центрального провідника, а також від відстані зонда до неоднорідностей двох типів: металева смужка на діелектрику і діелектрична смужка на металевій поверхні. Отримані результати виявилися не тривіальними, чому і присвячений матеріал, наведений нижче.

І на закінчення цього параграфа відзначимо таке. Отримати аналітичні вирази, які б описували обумовлену вище конфігурацію

– Відкритий кінець коаксіального хвилеводу з виступаючим внутрішнім провідником, який знаходиться в безпосередній близькості від якоїсь неоднорідною поверхні, поки не представляється можливим. Так, до теперішнього часу не вирішена навіть значно більш просте завдання, коли обговорюваний хвилевід навантажений на безмежний простір. Разом з тим, практично всі відомі експериментальні результати, в тому числі і отримані нами, якісно можуть бути пояснені на підставі модельних уявлень, без залучення математики.

II. Результати експерименту

Для проведення необхідних досліджень нами була зібрана установка, що представляє собою мікрохвильовий бліжнеполевой мікроскоп на базі відрізка коаксіального кабелю стандартного перерізу 2.2 х 0.6 мм2 довжиною 35 мм з виступаючим внутрішнім провідником. За допомогою коаксіально-волноводного переходу (КВП) цей відрізок (зонд) приєднувався до панорамному измерителю коефіцієнтів стоячій хвилі (КСВ) і поглинання, який служив і джерелом мікрохвильової потужності, і вимірником параметрів взаємодії зонда із зразком. Інший кінець КВП був навантажений на КЗ-поршень, який дозволяв провести узгодження мікроскопа з навантаженням (зі зразком) в широкому діапазоні частот. Виміри проводилися в 8 міліметровому діапазоні довжин хвиль. Така конструкція приваблива тим, що, забезпечуючи всі функції бліжнеполевого мікрохвильового мікроскопа, разом з тим максимально проста в практичній реалізації, оскільки побудована на базі стандартної апаратури, яка зазвичай присутня в будь СВЧ лабораторії.

На рис.1 показані результати вимірювань залежності чутливості мікроскопа до неоднорідності при зміні відстані до неї. В одному випадку неоднорідність представляла собою металеву смужку шириною близько 16 мкм на пластині з Полікор (монотонна крива), в іншому такої ж ширини діелектричну смужку на металі (крива з максимумом). Як діелектричної неоднорідності на металі була використана щілину відповідної ширини. В обох випадках мікроскоп налаштовувався на максимум чутливості поза неоднорідності на кожному новому відстані зонда від зразка. Експерименти проводилися на частотах 27.5, 29,8 і 36,4 ГГц. Якщо перша залежність очевидна, тому що з ростом відстані в бліжнеполевом режимі різко зменшується ступінь взаємодії між зразком і мікроскопом, то друга вимагає пояснення.

На рис.2 показано (дуже приблизно, звичайно) розподіл електричного поля для випадку, коли зонд стосується металевої поверхні з неоднорідністю, і коли він піднятий на деяку відстань.

Отримані авторами дані, а також аналіз літературних джерел, дозволяє зробити висновок

про доцільність оптимізації як розмірів коаксіального зонда, так і в деяких випадках відстані від зонда до зразка при використанні його в бліжнеполевих мікрохвильових пристроях.

Sample-Tip Distance, mkm

Puc. (Fig.) 1

IV. Список літератури

1. С. P. Vlahacos, D. Е. Steinhauer, S. K.Dutta, В. J. Feenstra, Steven М. Anlage and F. С. Wellstood. Non-Contact imaging of dielectric constant with a near-field scanning microwave microscope / / The Americas Microscopy and analysis, 2000, № 1, p. 5.

2. T. Wei, X.-D. Xiang. Scanning tip microwave near-field microscope. Appl. Phys. Lett, 1996, Vol. 68. № 21 .pp.3506-3508.

3. X.-D. Xiang et al. Scanning evanescent electro-magnetic microscope. US Patent 6,173,604, January 16, 2001.

Порівнюючи мал.2а і рис.2b між собою можна помітити, що з видаленням кінчика зонда від поверхні зразка число силових ліній електричного поля, які взаємодіють з неоднорідністю, зростає, тобто інтенсивність взаємодії мікроскопа з неоднорідністю також зростає. З іншого боку “працює” і протилежний механізм зменшення ступеня взаємодії, як і повинно бути, з ростом відстані. У нашому випадку ці два антагоністичні процеси врівноважують один одного при товщині діелектричного шару близько

18 … 20 мкм.

Аналізуючи, як і вище, зміна розподілу силових ліній електричного поля при зміні довжини виступаючого відрізка центрального провідника (у зв’язку з обмеженістю обсягу Трудов відповідні малюнки не наводимо), можна стверджувати, що роздільна здатність мікроскопа повинна збільшуватися зі збільшенням AI, а потім знову зменшуватися. Причому, Д1 в максимумі роздільної здатності не обов’язково повинна збігатися з максимумом чутливості. Це твердження підкріплено експериментом, протягом якого визначалося зміна роздільної здатності при зміні Д1 = 0.3, 0.5, 0.9, 1.5, 2.7, 4.9, 6.3 і 7.1 мм. Максимум, сильно “розмитий”, виявився при Д1 ~

4.7 … 6.3 мм. Зміна роздільної здатності оцінювалося по зміні крутизни фронтів графічної залежності коефіцієнта відбиття при скануванні зондом досліджуваної неоднорідності.

INVESTIGATION OF THE NEAR-FIELD INTERACTION OF THE OPEN-ENDED OF THE COAXIAL WAVEGUIDE

Launets V. L., Oliynik V. V.

Taras Shevchenko National University of Kyiv Acad. Glushkov av., 2/5, Kyiv-03127, Ukraine ph.(044) 266 0551, e-mail:oliynyk@univ.kiev.ua

The obtained experimental data point to the fact that there are optimum sizes of the outward-projecting inner conductor of coaxial probe. In case when the irregularity is a dielectric strip on the metal surface, we have obtained non-monotonous dependence of sensitivity against the distance between the probe and the sample.

In this paper we have studied sensitivity and resolving ability of microscope and its dependence on dimensions of the outward-projecting inner conductor of the coaxial probe. For this purpose we have designed the near-field microscope, based on coaxial cable length with salient inner conductor. When thickness ofthe dielectric layer increases the response ofthe microscope to the split in metal first grows and then goes to zero (fig.1). The qualitative explanation of our study is presented (see fig.2).

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.