Nella microscopia SNOM ad apertura la sonda più comunemente usata è costituita da una fibra ottica rastremata e metallizzata: uno spezzone di fibra ottica singolo
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Figura 1.9: Sonda SNOM a fibra ottica nelle due principali configurazioni, emissione con raccolta in “trasmissione”(sinistra) e raccolta (destra). Immagine tratta da [36].
modo viene appuntito ad una estremità e su di essa viene depositata un sottile film metallico; l’altro capo della fibra, nel caso si operi in emissione, è accoppiato al laser di eccitazione, nel caso si lavori in raccolta, è collegato invece al rivelato- re. La scelta della fibra ottica è ovviamente motivata, oltre che dalla possibilità di ottenere in modo abbastanza semplice aperture nanometriche, di 50-100 nm di diametro, anche dalle relativa facilità di guidare la radiazione attraverso di essa (le fibre ottiche nascono proprio come guide d’onda), sia che il segnale ottico tra- sportato serva all’eccitazione del campione, sia che rappresenti gli effetti di un irraggiamento di quest’ultimo prodotto con altri mezzi. La rastremazione della fi- bra ottica può essere realizzata in due modi, mediante chemical etching o secondo il metodo heat and pull, come di seguito brevemente riportato.
L’attacco chimico della fibra ottica avviene immergendone un’estremità in una soluzione di acido fluoridrico (HF), alla quale in genere viene aggiunta una pic- cola quantità di solvente organico che, galleggiando sulla superficie del liquido, protegge la porzione di fibra con cui è a contatto dall’azione dell’acido e con- sente di controllare l’altezza del menisco di HF che si forma in corrispondenza dell’estremità della fibra immersa più profondamente (vedi figura 1.10) [11].
L’utilizzo di solventi organici diversi conduce ad angoli al vertice del cono apicale di varia grandezza e dal momento che ad angoli di apertura maggiori corri- sponde un coefficiente di trasmissione7più alto all’interno della fibra, la possibilità di controllare la geometria della punta è un aspetto molto importante.
La formazione della punta ha luogo perché l’altezza del menisco di HF, ini- zialmente dipendente dal tipo di solvente organico utilizzato, durante il processo è funzione del diametro della porzione più interna di fibra ancora non aggredi-
7In inglese throughput, è il rapporto tra la potenza in uscita dalla fibra in campo prossimo e la
Figura 1.10: Rastremazione di uno spezzone di fibra ottica mediante chemical etching. L’attacco chimico ha luogo immergendo l’estremità della fibra in una soluzione di HF nella quale è presente un solvente organico protettivo. L’altezza del menisco della soluzione si riduce con il diminuire del diametro della porzione di fibra non ancora aggredita e il processo termina con il formarsi della punta. Immagine tratta da [11].
Figura 1.11: Rastremazione di una fibra ottica mediante heating and pulling. Una porzione di fibra viene riscaldata per irraggiamento con un laser a CO2impulsato e contemporaneamente sot-
toposta a trazione fino alla rottura, che lascia due spezzoni terminanti in una zona conica appuntita. Immagine tratta da [11].
ta e quindi dotata di geometria cilindrica; l’altezza del menisco si riduce con il progredire dell’attacco e con la diminuzione del diametro della fibra cilindrica, prevenendo che tratti superiori di fibra vengano attaccati; quando finalmente il dia- metro della fibra cilindrica tende a zero il processo dovrebbe in linea di principio terminare.
Per rastremare la fibra ottica viene utilizzato in alternativa il metodo detto di heat and pull, consistente nel riscaldare localmente una piccola porzione di fibra e contemporaneamente tirarla fino alla rottura (vedi figura 1.11). Una regione cir- coscritta di fibra viene irraggiata con un laser a CO2, generalmente impulsato, che
oltre a scaldarla localmente ne provoca un assottigliamento; la fibra viene fatta ruotare attorno al proprio asse durante l’irraggiamento in modo che gli effetti sia- no simmetrici; allo stesso tempo essa è sottoposta ad una trazione che ne induce
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Figura 1.12: Sonde a fibra ottica rastremate mediante heating and pulling e successivamente metallizzate con oro (20 nm), depositato tramite sputtering. Le immagini sono state acquisite con un microscopio elettronico a scansione. Gli inserti rappresentano ingrandimenti della parte apicale della sonda. Figura tratta da [11].
la rottura, in modo che i due spezzoni risultanti termino con una zona conica ap- puntita. La lunghezza della zona riscaldata non deve superare il diametro della fibra, se vi vogliono ottenere rastremazioni corte e robuste con un elevato ango- lo di apertura. Inoltre il riscaldamento deve essere moderato, perché è richiesta alla fibra una viscosità residua che garantisca il pronto cedimento della regione irraggiata al raggiungimento di un certo allungamento sotto trazione. La figura 1.12 mostra immagini al microscopio elettronico a scansione di punte realizzate mediante heating and pulling e successivamente metallizzate con un sottile strato di oro.
È importante notare che le rastremazioni ottenute mediante chemical etching o mediante heating and pulling non presentano identiche caratteristiche: il primo metodo assicura maggiori angoli di apertura apicali e quindi una più efficiente trasmissione; il secondo produce punte di inferiore rugosità, che favoriscono una migliore riuscita del successivo processo di rivestimento metallico.
La deposizione di un sottile film metallico sulla superficie laterale del cono di apertura, che segue di norma la rastremazione della punta, è una pratica fonda- mentale per la realizzazione di sonde di buona funzionalità. La metallizzazione riduce notevolmente le perdite di potenza nella zona terminale, in quanto limita la fuoriuscita di radiazione lateralmente: la forma conica e le piccole dimensioni del diametro non consentono infatti di guidare al meglio i raggi che giungono all’a- pertura (dall’interno o dall’esterno della fibra a seconda della modalità di lavoro) perché, a causa del restringimento apicale, non tutti quelli che la punta riuscireb- be ad intrappolare se la sua geometria fosse cilindrica soddisfano la condizione di riflessione totale. La deposizione dello strato metallico, tipicamente alluminio, è effettuata tramite evaporazione: la fibra ottica viene fatta ruotare in un ambiente contenente vapori del metallo prescelto che si depongono sul cono apicale. Altra
tecnica utilizzata per deporre lo strato metallico è quella dello sputtering, in cui l’emissione di atomi metallici verso la superficie laterale della punta avviene co- me conseguenza del bombardamento di un bersaglio solido del materiale da parte di un fascio di particelle energetiche (in genere ioni). Al termine del processo di metallizzazione si ottiene uno strato uniforme di metallo sulla superficie della punta di qualche decina di nm di spessore, con una piccola apertura apicale di diametro normalmente compreso tra 50 e 200 nm. La formazione dell’apertura è anche conseguenza della rotazione della fibra ottica secondo un asse inclinato rispetto alla direzione del fascio di atomi metallici.
Sottolineiamo che in ogni caso il processo di fabbricazione della sonda è mol- to delicato e dal momento che la qualità della punta determina fortemente sia la risoluzione che la sensibilità dello strumento, esso è in genere eseguito da dit- te specializzate [29, 30, 31]. Per quanto concerne il coefficiente di trasmissione all’interno della fibra (che si ha alla fine della produzione della sonda), notia- mo che è piuttosto basso, dell’ordine di 10−6 ÷ 10−9 a seconda del diametro di apertura apicale e dell’angolo di rastremazione. Infatti, malgrado la metallizza- zione, buona parte della potenza viene dissipata attraverso riflessioni sulle pareti del cono apicale, retroriflessioni verso l’ingresso e a seguito dell’assorbimento da parte del rivestimento metallico, soprattutto nel caso di eccitazione con radiazio- ne UV. Questo assorbimento rappresenta un problema ulteriore perché provoca un considerevole riscaldamento della punta che ne determina il deterioramento. Per evitare che la sonda si rovini in poco tempo, la potenza di ingresso nella fibra non deve mai superare qualche mW, a cui corrisponde un campo prossimo con potenze dell’ordine del nW o inferiore.