1 Wprowadzenie 2 Informacje ogólne i streszczenie

Wrocław, 22 listopada 2009 r.
dr hab. inż. Włodzimierz Salejda, prof. nadzw.
Instytut Fizyki
Politechnika Wrocławska
Wybrzeże Wyspiańskiego 27
50-370 Wrocław
Recenzja rozprawy doktorskiej mgr. Tomasza Antosiewicza pt.
Wpływ nanostruktury sondy metalizowanej na rozdzielczość
optycznego mikroskopu skaningowego bliskiego pola
1
Wprowadzenie
Właściwości fizyczne oddziaływania światła z materią to wciąż intensywnie rozwijana dziedzina
badań podstawowych o doniosłym znaczeniu aplikacyjnym. Do tego obszaru badań należy zaliczyć
optyczną mikroskopię skaningową bliskiego pola (NSOM – Near-field Scanning Optical Microscopy).
Znajduje ona bardzo szerokie zastosowania do badania właściwosci fizycznych i struktury układów
mezo- i nanoskopowych (kropek i drutów kwantowych, molekuł) oraz biologicznych i medycznych
(tkanki, bakterie, wirusy).
W ostatnich latach intensywnie rozwijana jest plazmonika oraz różne metody (metodologie) mikroskopii bliskiego pola oparte o sondy światłowodowe aperturowe i bezaperturowe o rozmiarach geometrycznych czubka sond mniejszych od długości emitowanego światła. Celem tych działań jest m.in.
zwiększenie zdolności rozdzielczej mikroskopu bliskiego pola, co z aplikacyjnego punktu widzenia jest
problemem bardzo ważnym.
Przedstawiona mi do zrecenzowania rozprawa doktorska mgra T. Antosiewicza mieści się w tym
nurcie aktualnie prowadzonych badań naukowych i ma charakter interdyscyplinarny, poniewaz dotyczy
optycznej skaningowej mikroskopii bliskiego pola oraz plazmoniki.
2
Informacje ogólne i streszczenie zawartości
Na rozprawę liczącą 119 stron składa się 9 rozdziałów i spis literatury zawierający 92 pozycje literaturowe opublikowane w ostatnich 3 wiekach, tj. w okresie od 1900 do 2009 roku. W pracy zawartych
jest 45 rysunków (w tym 29 kolorowych) oraz 5 tabel. Nie znalazłem spisu ważniejszych terminów
(tzw. indeksu) ani listy stosowanych oznaczeń, co w przypadku książki jest wskazane.
Pracę można podzielić na dwie części, z których pierwsza zawiera rozdziały 1-4 oraz drugą, na
którą składają się pozostałe. Druga część zawiera główne, oryginalne wyniki.
2.1
Część pierwsza — rozdziały 1-4
Rozdział 1., liczący 4 strony, jest zwięzłym wprowadzeniem do głównej tematyki dysertacji. Autor
kreśli rys historyczny rozwoju optyki i technik obrazowania ze szczególnym uwzględnieniem metod
mikroskopii bliskiego pola oraz optycznej mikroskopii skaningowej bliskiego pola znanej w literaturze
źródłowej pod skrótową nazwą SNOM lub NSOM 1 . Rozdział ten zawiera także jasno i precyzyjnie
sformułowane 4 tezy pracy doktorskiej oraz jej zwięzłe streszczenie.
Rozdział 2. liczy 12 stron. Autor przytacza prawa i podstawowe związki z zakresu elektrodynamiki
klasycznej (równania Maxwella, potencjały elektrodynamiczne, równanie falowe w próżni i ośrodkach materialnych) w ujęciu falowym. Charakteryzuje wybrane zagadnienia dotyczące oddziaływania
1
SNOM akronim od Scanning Near-Field Optical Microscopy lub NSOM od Near-Field Scanning Optical Microscopy
1
fal elektromagnetycznych z ośrodkami materialnymi (przenikalność elektryczna, fale ewanescentne),
streszcza podstawy teorii metali w ujęciu Drudego.
Rozdział 3. jest poświęcony przedstawieniu właściwości kolektywnych wzbudzeń zwanych powierzchniowymi plazmono-polarytonami, które powstają w obszarze międzypowierzchni metaldielektryk wskutek odddziaływania fali elektromagnetycznej z elektronami powierzchniowymi metali.
Mgr T. Antosiewicz, na 15 stronach, w oparciu o dane literaturowe dyskutuje właściwości zależności
dyspersyjnych ω(k) powierzchniowych plazmonów-polarytonów od rodzaju międzypowierzchni, charakteryzuje zależność skończonej drogi propagacji oraz rozmiarów poprzecznych omawianych wzbudzeń
kolektywnych od długości fali elektromagnetycznej na granicy srebra z powietrzem lub dwutlenkiem
krzemu. Krótko omawia plazmony-polarytony w strukturach wielowarstwowych i dość szczegółowo
opisuje doświadczalne metody wzbudzania plazmono-polarytonów.
W rozdziale 4. Autor rozprawy przedstawia na wstępie fizyczne aspekty obrazowania za pomocą
mikroskopów, podkreśla znaczenie efektów dyfrakcyjnych dla rozdzielczości, a następnie szerzej omawia — w oparciu o bieżącą i cytowaną literaturę — podstawy techniki mikroskopii bliskiego pola
wykorzystujących sondy aperturowe i bezaperturowe. Mgr Tomasz Antowiewicz podkreśla podstawowe znaczenie propagacji fal ewanescentnych dla rozpatrywanego w pracy problemu, którym jest
zwiększenie rozdzielczości. W tym kontekście charakteryzuje:
• geometrię sond aperturowych (źródeł światła) oraz ich wpływ na wydajności transmisyjne i zakresy generowanych częstości przestrzennych,
• transmisję światła w sondach aperturowych oraz właściwości emitowanego przez nie światła,
• wybrane technogogie wytwarzania sond aperturowych.
Rozdział zamyka omówienie właściwości metalowych i dielektrycznych sond bezaperturowych. Autor
przedstawia krótko technologie ich wytwarzania i zwraca uwagę na poważny problem tej technik,
jakim jest dyskryminacja rozproszonego na próbce światła dalekiego pola oraz rozproszonego światła
generowanego przez sondę. Podkreśla rolę odpowiednio spolaryzowanego światła i plazmonów dla
efektywnego działania tych sond.
2.2
Część druga — rozdziały 5-8
Rozdział 5. liczy 14 stron i jest poświęcony przedstawieniu algorytmów i narzędzi numerycznych, za
pomocą których otrzymano wyniki symulacji (eksperymentów) komputerowych opisanych w rozdziałach 7. i 8. Autor do rozwiązywania równań Maxwella wybiera metodę różnic skończonych w dziedzinie
czasowej, zwaną BOR-FDTD (od Body-of-Revolution Finite-Difference Time-Domain) ze względu na
to, że analizowane w dysertacji stożkowe sondy SNOM wykazują symetrię cylindryczną. Jest to wysoce
efektywna metoda obliczeniowa, zaproponowana w połowie lat 60-ych XX wieku przez Kane S. Yee
i wciąż rozwijana oraz stosowana w wielu zagadnieniach elektrodynamiki klasycznej, w tym do zjawisk związanych z oddziaływaniem fali elektromagnetycznej z materią. Mgr T. Antosiewicz punktuje
zalety metody oraz opisuje jej wymagania co do pojemności pamięci komputerowej. Następnie prezentuje podstawowe równania opisujące rozkład przestrzenny i dynamikę pola elektromagnetycznego.
Komentuje stabilność numeryczną stosowanego algorytmu, właściwości tzw. przezroczystych źródeł fal
elektromagnetycznych oraz rolę anizotropowych idealnie dopasowanych pod względem impedancyjnym
warstw brzegowych. W końcu wyjaśnia jak należy w proponowanym schemacie obliczeń uwzględnić
dyspersję ośrodków zadaną modelem Drudego.
Rozdział 6. liczy 16 stron. Autor pracy doktorskiej przedstawia nowy model promieniowania sondy
SNOM. Szkicuje jej schemat przestrzenny, uzasadnia postać funkcji rozkładu ładunków i prądów wzbudzanych płynących w aperturze sondy, z uwzględnieniem spodziewanych defektów podczas jej wykonywania. Wyznacza numerycznie rozkład przestrzenny pola promieniowania rozważanego modelu sondy
za pomocą potencjałów skalarnego i wektorowego, ponieważ rozmiar liniowy d sondy i odległość r
2
od źródła są porównywalne. Prezentuje wyniki symulacji komputerowych dotyczące natężenia w polu
dalekim (rozdział 6.4.1) spolaryzowanej liniowo fali świetlnej promieniowanej przez sondę oraz w polu
bliskim (rozdział 6.4.2). W tym kontekscie zauważa, że pierwszym przypadku otrzymane wyniki numeryczne pozostają w jakościowej zgodności z danymi doświadczalnymi. W tym drugim przypadku
Autor porównuje wyniki numeryczne otrzymane metodą FDTD dotyczące promieniowania i propagacji
światła emitowanego przez sondę o aperturze 50 nm z rezultatami numerycznymi wyznaczonymi przy
użyciu potencjałów. Jakościową zgodność wyników otrzymuje Autor w odległości nie mniejszej od 31
nm (obie wiązki światła są gaussowskie). Następnie przedstawia charakterystyki przestrzenne promieniowania w bezpośredniej bliskości modelu sondy o aperturach o wartościach 40 i 80 nm. W szczególności wyznacza zależności natężenia promieniowania multi-quasi-dipoli, średnic emitowanych wiązek
oraz liniowej polaryzacji od odległości od płaszczyzny apertury.
Rozdział 7. liczy 22 strony i jest najobszerniejszy. Są w nim zawarte oryginalne i ważne wyniki
dotyczące bardzo istotnego aspektu działania sondy pola bliskiego zasięgu, którym jest wzmocnienie
natężenia transmitowanego światła, co poprawia zdolność rozdzielczą. Mgr T. Antosiewicz zbadał właściwości specjalnych sond, zwanych sondami karbowanymi. Ich część aperturowa posiada na granicy
dielektryk-metal szereg wypełnionych metalem (aluminium lub srebrem) nacięć (wgłębień). Dzięki
temu jest możliwe generowanie plazmonów – fal powierzchniowych, które umożliwiają zwiększenie natężenia emitowanego przez sondę światła. Szczegółowo przeanalizowano wpływ na ilość transmitowanej
energii:
• geometrii i rozmiarów wcięć, których przekrój poprzeczny miał kształt półokręgów o promieniu r0
lub figury geometrycznej, której podstawą był odcinek, a bokami łuki jednej czwartej okręgu
(ćwierćokręgi) o rozmiarach liniowych l liczonych między środkami łuków,
• rozkładów przestrzennych wcięć na granicy metal-dielektryk, co charakteryzuje stała sieci karbów Λ,
• odległości s części karbowanej od apertury,
• rodzajów dielektryków (szkło) i metali (aluminium, srebro).
Analizie komputerowej została poddana stożkowa sonda o średnicy rdzenia równej 2 µm, kącie rozwarcia α = 40o , średnicy 2r apertury nie większej od 50 nm, pokrytej warstwą metalu o grubości h = 70 nm. Uwzględniono dyspersję warstwy metalicznej w zakresie długości fal od 400 nm do
650 nm.
Uproszczoną symulację działania płaskiej, tj. dwuwymiarowej sondy karbowanej przeprowadzono
za pomocą metody FDTD o rozdzielczości przestrzennej 1 nm, z krokiem czasowym 1,67 attosekundy.
W charakterze źródła światła przyjęto wiązkę gaussowską o szerokości połówkowej 670 nm i polaryzacji TM sprzęgającej się z plazmonami. W oparciu o wyniki symulacji zostało wyznaczone natężenie
transmitowanej fali elektromagnetycznej i porównane z natężeniem światła emitowanego przez sondę
bez karbów. Stwierdzono wzmocnienie transmisji przez oba typy sond zawierających karbowanie.
Następnie mgr T. Antosiewicz przedstawia wyniki symulacji, których celem było wyznaczenie optymalnych wartości parametrów geometrycznych karbowanych sond, dla których wykazują one znaczne
wzmacnienie natężenia transmitowanego światła. Zbadano wpływ na energetyczną wydajność sond
półkolistych i owalnych stałej Λ siatki wcięć oraz odległości s serii tych wcięć od apartury. Autor konkluduje, że w przypadku sond z karbowaniem półkolistym największe 15-krotne wzmocnienie transmisji
zachodzi dla Λ = 395 nm, s = 173 nm i zauważa, że przy tych wartościach parametrów modelu:
• wzmocnienie o jeden rząd w stosunku do niekarbowanej sondy, obserwuje się w dość szerokim
zakresie długości fal od 470 do 520 nm,
• badane sondy wykazują szeroki spektralny zakres wzmacnień.
3
Podobne wyniki i tendencje Autor dysertacji charakteryzuje dla sond z wcięciami owalnymi, zauważając znacznie silniejszą zależność długości fal, przy których obserwuje się maksymalne wzmocnienie
transmisji od parametru Λ w porównaniu z sondami wyposażonymi w karby półkoliste.
Doktorant podsumowuje uproszczone symulacje dwuwymiarowych sond karbowanych niezbyt optymistycznym, w kontekście polepszenia ich rozdzielczości, wynikami przedstawionymi na rys. 7.6, które
świadczą o tym, że zdolność rozdzielcza analizowanych modeli sond jest taka sama jak sond niekarbowanych i mieści się w przedziale wartości od 65 nm do 75 nm. Zmniejszenie wartości tego parametru,
mgr T. Antosiewicz upatruje w uwzględnieniu penetracji warstwy metalu przez promieniowanie.
Rozdział 7.3 zawiera wyniki symulacji trójwymiarowych karbowanych sond SNOM o symetrii walcowej za pomocą opracowanego przez doktoranta oprogramowania BOR-FDTD. Obliczenia numeryczne przeprowadzono stosując jako źródło liniowo spolaryzowaną wiązkę gaussowską światła padająca na sondy z półowalnymi karbami o tych samych co poprzednio (określonych w rozdziale 7.1.1)
wartościach średnicy rdzenia, kąta stożkowego i grubości pokrycia metalem. Autor rozprawy zbadał
zależności wydajności energetycznej sond od:
• wartości średnic apertur zmienianych w przedziale od 10 do 50 nm,
• odległości ciągu karbów od apertury,
• rodzaju materiału warstwy pokrycia metalicznego, którymi były srebro i aluminium.
W oparciu o otrzymane wyniki mgr T. Antosiewicz formułuje wnioski dotyczące transmisyjności badanych sond i podkreśla, że zmodyfikowane, tj. karbowane sondy z warstwą srebra wykazują znacznie
wyższą transmisyjność od sond z warstwą aluminium. Następnie Autor rozprawy charakteryzuje wzbudzanie plazmono-polarytonów — zjawiska odpowiedzialnego za zwiększenie transmisyjności badanych
sond. Wyjaśnia mechanizm oddziaływania światła z plazmonami wskazując na znaczenie karbowania dla pobudzania plazmono-polarytonów. Wyznacza, za pomocą dyskretnej transformaty Fouriera,
widmo częstości przestrzennych siatek karbów oraz analizuje wpływ liczby karbów na efektywność
wzbudzania plazmono-polarytonów w sondach z karbami półkolistymi i półowalnymi.
Rozdział 8. liczy 12 stron i jest poświęcony przedstawieniu oryginalnego modelu bezaperturowej
światłowodowej sondy typu dielektryk-metal-dielektryk. Nowatorskim elementem jest zewnętrzna nanowarstwa dielektryka naniesiona na warstwę metalu. Mgr T. Antosiewicz, za pomocą oprogramowania
BOR-FDTD, analizuje wpływ na gęstość energii pola elektrycznego w obrębie czubka sondy oraz na
szerokość połówkową emitowanego sygnału następujących parametrów:
• długości fali z przedziału od 400 nm do 650 nm i wartości przenikalności elektrycznej dielektrycznej nanowarstwy przy stałym kącie stożkowym sondy równym 20o ,
• długości fali źródła, przenikalności elektrycznej dielektrycznej nanowarstwy oraz grubości nanowarstwy srebra przy ustalonym także dwudziestopniowym kącie stożkowym sondy,
• wartości kąta stożkowego sondy i przenikalności elektrycznej dielektrycznej nanowarstwy przy
ustalonej długości fali równej 500 nm.
Przedstawiono wyniki symulacji komputerowych dla sondy bezaperturowej, którą tworzy zaostrzony światłowód o 5 nm promieniu czubka, kącie stożkowym równym 20o pokrytym warstwą srebra
o grubości 40 nm. Rezultaty uzyskane dla tej sondy są punktem odniesienia dla wyników otrzymanych dla sondy powleczonej 5 nm warstwą dielektryka o elektrycznych przenikalnościach względnych
z przedziału od 1,44 do 3,24. Mgr T. Antosiewicz wskazuje przedziały długości fal, dla których gęstość
energii pola elektrycznego na czubku analizowanej sondy jest największa i przekracza od 50% do 80%
gęstość energii pola elektrycznego sondy bez pokrycia nanowarstwą dielektryka. Odnotowuje tendencję do przesuwania się wspomnianych przedziałów w stronę podczerwieni przy wzroście współczynnika
załamania materiału dielektryka. Doktorant podkreśla spektralne wzmocnienie gęstości energii pola
4
elektrycznego w pobliżu czubka badanej sondy, które dla długości fal większych od 550 nm przekracza o prawie dwa rzędy wielkości wartości gęstości odpowiadające sondom bezaperturowym bez
dielektrycznego pokrycia. Dyskutowany jest również wpływ grubości warstwy d metalu na wzbudzanie
plazmonów w układzie trójwarstwowym od czego zależy gęstość energii pola elektrycznego na czubku
sondy. Doktorant znajduje optymalne wartości grubości (mieszczą się w przedziale od 30 do 40 nm)
dla analizowanych wartości przenikalności dielektrycznych nanowarstw dielektrycznych. W dalszym
ciągu rozdziału analizuje zależność gęstości energii pola elektrycznego na czubku sondy od wartości
jej kąta stożkowego oraz wartości przenikalności elektrycznych warstw dielektrycznych. Autor dysertacji charakteryzuje najistotniejsze tendencje w tych zależnościach. M.in. zauważa, że przy wartościach
kąta stożkowego przywyższających znacznie 20o obserwuje się oscylacyjny charakter zależności gęstości energii od przenikalności elektrycznej warstwy dielektrycznej. Mgr T. Antosiewicz zajmuje się
także teoretyczną analizą wpływu na szerokość połówkową promieniowanej przez sondę wiązki światła
wartości przenikalności elektrycznej zewnętrznej warstwy dielektrycznej oraz długości fali elektromagnetycznej źródła.
3
Redakcja pracy — uwagi
Praca jest dobrze zredagowana, a jej układ sprawia wrażenie głęboko przemyślanego. Dysertacja
jest napisana poprawną polszczyzną. Główne wyniki i tezy są przedstawione jasno i zwięźle.
W pracy dostrzegłem potknięcia redakcyjne, niejasne lub nieprecyzyjne sformułowania, błędy stylistyczne, językowe i literowe. Poniżej zamieszczam ich listę.
1. W otrzymanym egzemplarzu książki kartka ze stronami 17. i 18. była odwrócona, za co jednak
odpowiedzialny nie jest doktorant.
2. Niefortunne jest użycie na stronie 42. oznaczenie na rząd nieliniowości nl , ponieważ symbol n
ma w optyce jednoznaczne konotacje.
3. Nieprecyzyjne jest sformułowanie pochodzące ze strony 42.: Druga składowa sygnału jest natomiast proporcjonalna ... oraz powierzchni rzędu rozmiarów końca sondy.
4. Na stronie 51. fragment Zastosowanie BOR-FDTD pozwala na zredukowanie ilości wymiarów
... . Zamiast ilości wymiarów powinno być: liczby wymiarów. Autor często nie rozróżnia między
policzalnymi i niepoliczalnymi rzeczownikami.
5. Na stronie 58. fragment Aby zminimalizować ... od wartości neutralych. Powinno być: neutralnych.
6. Razi i czyni tekst mniej czytelnym stosowanie przez Autora litery . Lepiej byłoby używać
symbolu ε.
7. Na rysunku 6.1 na stronie 62. brakuje oznaczenia P .
8. Wzór znajdujący się na końcu przedostatnej linijki ze strony 63. powinien zawierać, ze względu
na wzór (6.3), zamiast r symbol ra .
9. Rysunek 6.3 na stronie 64. nie ma opisanych osi.
10. Na stronie 65. razi żargonowe słowo „pasuje” użyte w zdaniu W przypadku niestatycznym, który
pasuje do obecnego problemu,... . Lepiej byłoby rozpocząć zdanie w następujący sposób: W przypadku niestatycznym, który jest rozpatrywany,... .
11. We wzorze (6.12) na stronie 66. w mianowniku drugiego składnika sumy ujętej w nawias zamiast c
powinien być umieszczony symbol c0 .
5
12. We wzorze (6.13) na stronie 66. w liczniku pierwszego składnika sumy ujętej w nawias jest więcej
o jeden „prawych” nawiasów.
13. We wzorze (6.13) na stronie 66. w liczniku drugiego składnika sumy ujętej w nawias zamiast ω2
powinien być ω 2 .
14. We wzorze (6.13) na stronie 66. w mianowniku drugiego składnika sumy ujętej w nawias zamiast C0 powinien być umieszczony symbol c0 .
15. Trudno jest tolerować dość nagminne stosowanie przez doktoranta słowa fabrykować zamiast
np.: wykonywać, produkować lub wytwarzać.
16. Stanowczo za małe rysunki i zastosowane wysokości czcionek użytych do opisu osi, co niestety
utrudnia znacznie czytelność pracy i zmusza recenzenta/Czytelnika do stosowania lupy. Dotyczy
to zwłaszcza następujących rysunków: 6.4 na stronie 67., rys. 6.5 na str. 69., rys. 6.7 na str. 71.,
rys. 6.9 na str. 74., rys. 7.4 na str. 84., 7.5 na str. 87., 7.6 na str. 88., rys. 7.8 na str. 92., 7.9 na
str. 94.
17. Kolejną „literówkę” dostrzegłem w drugim zdaniu na stronie 77., gdzie powinno być pogarszającej zamiast pogaszającej.
18. Na tej samej stronie drugie zdanie rozdziału 7.1 zamiast słowa emitowane powinno być emitowanej.
19. Na stronie 80. drugie zdanie rozdziału 7.1.1.1 jest stylistycznie niepoprawne. Jest ... parametry
dla obu metali zostały dopasowane z zakresie długości fal ... . Powinno raczej być np.: ... parametry dla obu metali zostały określone dla zakresu długości fal ... . Słowo dopasowane jest
trudne do zaakceptowania.
20. Niefortunne stylistycznie jest zakończenie zdania drugiego na stronie 93.: W rozważanym zakresie długości fal obie substancje posiadają ujemne wartości części rzeczywistej przenikalności
dielektrycznej, przy czym dla Al są to wartości bardziej ujemne.
21. Na stronie 101. znalazłem słowa dyspresji Drudego zamiast dyspersji Drudego.
22. Na stronie 101. w ostatniej linijce jest nanwarstwy zamiast nanowarstwy.
23. Na stronie 102. w ostatniej linijce podpisu rys. 8.2. jest ... koncentracji energii na czubu sondy...
zamiast ... na czubku sondy ....
24. Na stronie 103. kolejna literówka; w trzeciej linii od góry zamiast dielektrycznej jest dielektycznej.
25. Na stronie 103. przedostatnie zdanie rozdziału 8.3.1 zawiera słowo gętość.
4
Uwagi merytoryczne
Poniżej wymieniam uwagi krytyczne, które nasunęły mi się podczas lektury dysertacji.
1. Nie dostrzegłem jasno sformułowanych celów dysertacji, które pojawiają się w kolejnych rozdziałach pracy, ale nie są wydzielone/zaznaczane we wprowadzeniu do pracy doktorskiej.
2. W mojej opinii brakuje w pracy szerszego (popularno-naukowego) wprowadzenie do fizyki mikroskopii bliskiego pola. Nie ma rysunków przedstawiających zasadę działania mikroskopów bliskiego pola, brakuje opisu technologii i schematu wykonywania pomiarów. Dla niespecjalistów
praca doktorska, będąca książką, może sprawiać wrażenie specjalistycznej i hermetycznej.
6
3. Za niepoprawne uważam użycie w pracy terminów stałe materiałowe (tytuł podrozdziału 2.4
na stronie 8.) i stała dielektryczna (tytuł rozdziału 2.5 na stronie 9.). Należy posługiwać się
pojęciem przenikalności elektrycznej, która jest w ogólności funkcją położenia i czasu, a której
transformata Fouriera dla pól harmonicznych i okresowych zależy od częstości oraz wektorów
falowych.
4. Żargonowe słowo podfalowe jako tłumaczenie subwevelength wydaje mi się być mało trafnym.
5. Stwierdzenie użyte w rozdziale 7.2.2.2 W badanym zakresie długości fal obserwuje się wzmocnienie emisji dla wszystkich badanych wartości Λ jest w świetle wyników zaprezentowanych na rys.
7.3 tylko częściowo prawdziwe dla sond z karbami półkolistymi. Jest słuszne w przypadku sond
z karbami owalnymi, o czym świadczą wyniki przedstawione na rys. 7.5 na stronie 87.
6. Recenzent nie znalazł w pracy doktorskiej informacji o długościach l (lub L) owalnych karbowań,
dla których wykonano symulacje a wyniki przedstawiono na rys. 7.4 i w tabeli 7.5 oraz omówiono
w rozdziale 7.2.2.3. Ma to duże znaczenie, gdy porównamy rys. 7.4 z rys. 7.5, gdzie w całym
zbadanym zakresie długości fal obserwujemy wzmocnienie transmisji, czego nie można powiedzieć
o wynikach z rys. 7.4.
7. Stwierdzenia o 4-krotnym wzroście transmisyjności karbowanych sond z warstwami srebra nie
dotyczy całego badanego zakresu długości świała, ale odnosi się, tj. obserwuje się dla wybranych
długości a nawet konkretnych długości światła. Potwierdzeniem są dane zamieszczone na rys.
7.8, gdzie widoczne są przedziały długości światła, dla których transmisyjność badanych sond
jest mniejsza od sondy klasycznej.
8. W tekście pracy nie są określone parametry geometryczne sondy (np. wartości grubości zewnętrznej warstwy dielektrycznej oraz warstwy srebra, choć można próbować domyślać się ile
one wynoszą), dla której jest analizowana w rozdziale 8.3.2 szerokość połówkowa emitowanej
wiązki.
W związku z recenzowaną pracą nasuwa się kilka pytań:
1. Jakie znaczenie ma przyjęcie kąta rozwarcie 20o dla wyników końcowych zaprezentowanych w rozdziale 7?
2. Jaki wpływ na wyniki symulacji komputerowych może mieć zastosowanie innych od użytych
w pracy wiązek światła emitowanego przez źródło?
3. Czy i w jakim zakresie wyniki symulacji komputerowych przedstawione w rozdziałach 7. i 8.
zostały:
• wykorzystane do wytwarzania nowego typu sond,
• zastosowane w urządzeniach mikroskopii bliskiego pola.
5
Ocena merytoryczna
Mgr T. Antosiewicz jest współautorem 9 prac opublikowanych w czasopismach z listy filadelfijskiej
w latach 2007–2009, tj. w czasie trwania Jego studiów doktoranckich. Na podkreślenie zasługują prace
opublikowane w Optics Express (4) oraz w Physical Review Letters (1), czasopismach których Impact
Factor jest bardzo wysoki. Były one jedenastokrotnie cytowane; stan na dzień 2 XI 2009. Uczestniczył
w 20 krajowych (trzy) i zagranicznych konferencjach naukowych, będąc 7-krotnie współautorem zaproszonych referatów. Jest współautorem 13 artykułów opublikowanych w materiałach konferencyjnych
(głównie zagranicznych) oraz rozdziału w książce pt. „Photonic Crystals: Physics and Technology”
7
wydanej przez wydawnictwo Springer w 2008 roku. Odbył 8 kilkudniowych lub wielomiesięcznych
staży i szkoleń naukowych w latach 2005-2009. Był uczestnikiem lub wykonawcą 9 krajowych i zagranicznych projektów badawczych. Prowadził zajęcia dydaktyczne w I pracowni fizycznej oraz ćwiczenia
rachunkowe do specjalistycznego wykładu pt. „Optyka Fourierowska”.
Praca doktorska jest oparta o 5 artykułów naukowych, w których mgr T. Antosiewicz jest pierwszym autorem. Trzy spośród nich zostały w latach 2007-2009 opublikowane w Optics Express —
najbardziej prestiżowym czasopismie dotyczącym optyki.
Wysoko oceniam najważniejsze wyniki pracy doktorskiej, którymi są:
1. Opracowanie zaawansowanej metody oraz programu numerycznego opisanego w rozdziale 5.,
zwanego BOR–FDTD, umożliwiającego efektywne wykonywanie symulacji w czasie i przestrzeni
pól elektromagnetycznych we współrzędnych cylindrycznych.
2. Wyniki symulacji komputerowych, zawarte w rozdziale 6., dotyczące właściwości nowego modelu promieniowania sondy SNOM, w której źródłem promieniowania elektromagnetycznego jest
oscylujący na krawędzi apertury plazmon. Jakościowe potwierdzenie, w ramach tego podejścia,
zaobserwowanych doświadczalnie przez C. Obermüllera i K. Karraia minimów promieniowania
w polu dalekim na osi symetrii sondy dla światła spolaryzowanego liniowo.
3. Zaprezentowane w rozdziale 7. rezultaty symulacji komputerowych odnoszące się do właściwości
fizycznych nowego modelu aperturowej sondy SNOM wyposażonej w intencjonalny układ półkolistych lub półowalnych karbów na granicy dielektryk-metal. W szczególności wyniki otrzymane
— za pomocą symulacji komputerowych przy użyciu dwu- i trójwymiarowej wersji oprogramowania BOR-FDTD — charakterystyk transmisyjnych tych sond w kontekście zwiększenia ich
zdolności rozdzielczej.
4. Wyniki, przedstawione w rozdziale 8., dotyczące modelowania właściwości emitowanej wiązki
promieniowania przez nowatorską światłowodową sondę bezaperturową typu dielektryk-metaldielektryk. W szczególności wskazanie technologicznej możliwości strojenia długości emitowanego
światła odpowiadającego maksymalnej koncentracji energii w bezpośrednim otoczeniu czubka
takiej sondy.
5. Wskazanie i potwierdzenie istotnej roli plazmono-polarytonów oraz sposobów ich wzbudzania
i wykorzystania do zwiększenia zdolności rozdzielczej obrazowania za pomocą skaningowego mikroskopu optycznego bliskiego pola.
6
Konkluzje
W mojej ocenie mgr T. Antosiewicz to utalentowany naukowiec posiadający szeroką wiedzę w zakresie nanomikroskopii pola bliskiego widzenia oraz bardzo wysokie, tj. eksperckie umiejętności w dziedzinie symulowania właściwości pola elektromagnetycznego przy pomocy metody różnic skończonych
w dziedzinie czasowej (FDTD).
Mgr T. Antosiewicz przekonywująco uzasadnił tezy dysertacji. Jego praca doktorska sprawia bardzo pozytywne wrażenie, jako zredagowanej przez kompetentną osobę. Popełnił kilka błędów, głównie
o charakterze redakcyjnym, które jednak nie mają wpływu na moją bardzo wysoką ocenę zaprezentowanych w rozdziałach 5-8 oryginalnych i ważnych rezultatów Jego pracy doktorskiej.
Otrzymane wyniki zostały opublikowane w renomowanych czasopismach naukowych i stanowią
znaczący wkład zarówno do wiedzy z zakresu mikroskopii bliskiego pola jak i technologii wytwarzania nowatorskich sond typu SNOM stwarzających możliwości zwiększenia rozdzielczości optycznego
mikroskopu skaningowego bliskiego pola.
8
Biorąc pod uwagę wyżej wymienione argumenty stwierdzam, że recenzowana rozprawa spełnia
z nadmiarem ustawowe wymogi dotyczące prac doktorskich i wnioskuję o jej przyjęcie oraz dopuszczenie mgra T. Antosiewicza do dalszych etapów przewodu doktorskiego.
7
Wniosek o wyróżnienie
W mojej ocenie dysertacja mgra T. Antosiewicza wpełni zasługuje na wyróżnienie jej ze względu
na:
• wysoki poziom merytoryczny i znaczenie otrzymanych wyników dla technologii obrazowania za
pomocą skaningowego mikroskopu optycznego bliskiego pola,
• liczbę i jakość opublikowanych prac naukowych,
• aktywny udział w działalności naukowej mierzony liczbą realizowanych projektów oraz uczestnictwem w konferencjach naukowych.
Włodzimierz Salejda
Wrocław, 22 listopada 2009
9