Details

Предмет исследования. Взаимосвязь температуры нагрева с мезоскопической формой кремниевого зонда атомно-силового микроскопа при средних облученностях, создаваемых лазерным излучением (5 МВт/см{2}), и наличием шероховатой металлической подложки. Цель работы. Исследование зависимости усиления оптического поля и вызванного им нагрева острия конического кремниевого нанозонда при лазерном облучении от радиуса кривизны и угла конуса вершины зонда, расстояния между ним и подложкой, параметра шероховатости поверхности золотой подложки. Метод. Локализация электромагнитного поля в зазоре между вершиной кремниевой наноантенны и неоднородностями на поверхности золотой подложки смоделирована методом конечных разностей во временной области. В качестве плазмонной поверхности используется тонкое золотое покрытие (толщина до 50 нм) на стеклянной подложке. Такое покрытие за счет возбуждения поверхностного плазмонного резонанса усиливает поглощение оптического излучения и увеличивает температуру нагрева кремниевой оптической антенны. Основные результаты. Исследовано влияние угла поляризации падающего лазерного излучения на распределение электрического поля вблизи вершины зонда. Установлено, что вблизи вершины кремниевого кантилевера усиливается только составляющая напряженности поля падающего оптического излучения вдоль направления оси зонда. Показано, что по мере увеличения расстояния между наконечником и подложкой температура снижается экспоненциально. Обнаружено понижение температуры зонда с уменьшением угла раствора вершины зонда. Найдена зависимость температуры от радиуса кривизны острия кремниевой наноантенны при наличии золотой подложки. Показано, что с увеличением размера шероховатости золотой пленки температура вершины кремниевой антенны возрастает, постепенно приближаясь к предельному значению. Практическая значимость. Результаты исследования могут быть применены для оптимального подбора параметров эксперимента, использующего нагретый зонд. Контролируемый нагрев кремниевого зонда может использоваться для изучения фазовых переходов в наноматериалах различного типа, а также для локального термохимического нанокатализа с целью создания новых структурных материалов с заданными свойствами.

Subject of study. The relationship of the heating temperature with the mesoscopic shape of the silicon probe of an atomic force microscope under the influence of medium-intensity laser radiation (5 MW/cm{2}) and the presence of a rough metal substrate. Aim of study. Quantitative evaluation of a dependence of both the optical field enhancement and induced heating of the tip of a tapered silicon nanoprobe under laser irradiation on the radius of curvature and cone angle of the probe tip, the distance between it and the substrate, and the surface roughness parameter of the gold substrate. Method. The localization of the electromagnetic field in the gap between the vicinity of a silicon nanoantenna and an inhomogeneity on the surface of a gold substrate is simulated using finitedifference time-domain method. As a plasmonic surface, a thin gold coating (thickness up to 50 nm) on the glass substrate is used. Such a coating, due to the excitation of the surface plasmon resonance, enhances the absorption of light and increases the heating temperature of the silicon optical antenna. Main results. The influence of the polarization angle of incident laser radiation on the distribution of the electric field near the tip of the probe is studied. It is found that only the component of the incident light field strength along the direction of the probe axis is enhanced near the tip of the silicon cantilever. The influence of various parameters, including the radius of curvature, the cone angle of the tip of the silicon nanoantenna, the distance between the probe and the substrate, as well as the presence of roughness on the surface of the gold substrate, on the maximum temperature in the region of the tip of the silicon probe is investigated. The probe temperature was found to be decreasing with decreasing cone angle of the probe. Also, the temperature of the tip of the cantilever decreased as the cone angle of the tip of the probe increased. The temperature dependence on the radius of curvature of the tip of a silicon nanoantenna in the presence of a gold substrate was found. With an increase in the size of the roughness of the gold film, the temperature of the tip of the silicon antenna increases, gradually approaching the limit value. Practical significance. The results of the study can be used for optimal selection of the parameters of an experiment using a heated probe. Controlled heating of a silicon probe can be used to study phase transitions in various types of nanomaterials, as well as for local thermochemical nanocatalysis in order to create new structural materials with specified properties.