Wpływ nanostruktury sondy metalizowanej na rozdzielczość

Wrocław, 3 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
Zagadnienie wiodące
Właściwości fizyczne oddziaływania światła z materią to wciąż intensywnie rozwijana dziedzina
badań podstawowych o doniosłym znaczeniu aplikacyjnym. W tym obszarze badań znajduje się optyczna mikroskopia skaningowa bliskiego pola (NSOM – Near-field Scanning Optical Microscopy).
Znajduje ona bardzo szerokie zastosowania do badania właściwosci fizycznych i struktury układów
mezo- i nano-skopowych (kropek i drutów kwantowych, molekuł) oraz biologicznych i medycznych
(tkanki, bakterie, wirusy). W ostatnich latach intensywnie rozwijane są różne metody (metodologie)
mikroskopii bliskiego pola oparte o podfalowe sondy światłowodowe aperturowe i bezaperturowe. W
tym nurcie aktywnosci naukowej mieści sie przedstawiona mi do zrecenzowania rozprawa doktorska
mgra T. Antosiewicza. Naleąy ją zaliczyć jako pracę z pogranicza optycznej skaningowej mikroskopii
bliskiego pola oraz plazmoniki — intensywnie rozwijanej ostatnio dziedziny badań. Pracę można
podzielić na dwie części, z których pierwsza zawierająca rozdzuiały 1-4 oraz drugą, na którą składają
się pozostałe. Ta druga część zawiera główne wyniki pracy doktorskiej.
2
Informacje ogólne
Na rozprawę liczącą 119 stron składa się 9 rozdziałów i spisu literatury zawierającego 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/oznaczeń (tzw. indeksu) ani listy stosowanych oznaczeń.
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
fal elektromagnetycznych z ośrodkami materialnymi (przenikalność elektryczna, fale ewanescentne)
streszczając podstawy teorii Drudego metali.
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 met1
SNOM akronim od Scanning Near-Field Optical Microscopy lub NSOM od Near-Field Scanning Optical Microscopy
1
ali. 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 przedstawia 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 dane zaczerpnięte z bieżącej i cytowanej literatury — podstawy techniki
mikroskopii bliskiego pola wykorzystujących sondy aperturowe i bezaperturowe. Mgr Tomasz Antowiewicz słusznie podkreśla podstawowe znaczenie propagacji fal ewanescentnych dla rozpatrywanego
w pracy problemu, którym jest zwiększenie rozdzielczości. Charakteryzuje:
• geometrię sond aperturowych (źródeł światła), których rozmiary geometryczne są mniejsze
od długości emitowanego 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 Zwraca uwagę na rolę odpowiednio spolaryzowanego światła i plazmonów
dla efektywnego działania tych sond.
Rozdział 5. liczy 14 stron i jest poświęcony przedstawieniu algorytmów i narzędzi numerycznych, za
pomocą których otrzymano wyniki symulacji (eksperymentów) komputerowych opisane 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 elektromagnetycznych oraz oddziaływania fal
elektromagnetycznych 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. Dalej komentuje stabilność numeryczną
stosowanego algorytmu, właściwości tzw. przezroczystych źródeł fal elektromagnetycznych oraz rolę
anizotropowych idealnie dopasowanych pod względem impedancyjnym warstw. W końcu wyjaśnia jak
należy w proponowanym schemacie obliczeń uwzględnić dyspersję ośrodków zadaną modelem Drudego.
Rozdział 6. liczy 16 stron
3
Uwagi merytoryczne
Nie dostrzegłem jasno sformułowanych celów dysertacji, które pojawiają się w kolejnych rozdziałach
pracy, ale nie są wydzielone/zaznaczane we wprowadzeniu do pracy doktorskiej.
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). Należało użyć pojęć przenikalności
elektrycznej i przenikalności magnetycznej, które są w ogólności funkcjami położenia i czasu, których
transformaty Fouriera dla poł harmonicznych zależą od częstości oraz wektorów falowych.
W otrzymanym egzemplarzu książki kartka ze stronami 17 i 18 była odwrócona.
Słowo podfalowe jako tłumaczenie subwevelength wydaje mi się być mało trafnym.
2
Brakuje szerszego spojrzenia na mikroskopię bliskiego pola. Nie ma rysunku przedstawiającego
mikroskop blisko-polowy, brakuje schematu pomiarów. Dla niespecjalistow praca doktorska, w postaci
książki, jest hermetyczna, nieczytelna, niezrozumiała.
Niefortunne jest użycie na stronie 42 oznaczenie na rząd nieliniowości nl , ponieważ symbol n jest
w optyce zarezerwowany dla czegoś zupełnie innego.
Nieprecyzyjne jest sformułowanie pochodzace ze strony 42:
{Druga składowa sygnału jest natomiast proporcjonalna ... oraz powierzchni rzędu rozmiarów końc
Na stronie 51 fragment
{Zastosowanie BOR-FDTD pozwala na zredukowanie ilości wymiarów ... .}
Powinnio być zamiast ilości wymiarów liczby wymiarów.
Na stronie 58 fragment
{Aby zminimalizować ... od wartości neutralych.}
Powinno być: neutralnych.
Razi i czyni tekst mniej czytelnym stosowanie przez Autora litery . Lepiej byłoby używać symbolu ε.
4
Uwagi merytoryczne
Co zmieniłoby zastosowanie w miejsce modelu Drudego modelu Lorentza?
3