Ближнеполевой сканирующий СВЧ микроскоп в качестве измерительной техники с наноразрешением / Near-Field Scanning Microwave Microscope as Nano-Resolution Characterization Technique

Бабаджанян А. Ж. / Babajanyan, A. J.
Ереванский государственный университет / Yerevan State University
Фридман Б. / Friedman, B.
Государственный Университет Сэм Хьюстона / Sam Houston State University
Ли К. / Lee, K.
Университет Соганг Кореи / Sogang University
Выпуск в базе РИНЦ
DOI: 10.25210/jfop-1601-098111

Бабаджанян А. Ж., Фридман Б., Ли К. Ближнеполевой сканирующий СВЧ микроскоп в качестве измерительной техники с наноразрешением // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 1(18). С. 98–111.
Babajanyan, A. J., Friedman, B., Lee, K. Near-Field Scanning Microwave Microscope as Nano-Resolution Characterization Technique // Physical Bases of Instrumentation. 2016. Vol. 5. No. 1(18). P. 98–111.


Аннотация: Ближнепольная сканирующая микроволновая микроскопия (БСММ) — инструмент бесконтактного неинвазивного неразрушающего контроля для оценки электромагнитных свойств материала с высоким контрастом и высоким пространственным разрешением. Этот подход основан на неразрушающем зондировании локального электромагнитного поля между рабочим концом зонда и тестируемым материалом. Он может использоваться для исследования таких характеристик материала, как электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемости, и свойств материала, как в объеме, так и в тонких слоях. Изменения характеристик различных материалов и их волнового сопротивления были исследованы данным методом путем измерения коэффициента отражения S 11 микроволнового излучения и сдвига резонансной частоты Δ f / fr . Эти параметры могут быть легко измерены с использованием стандартного сетевого анализатора. В последнее время технология БСММ привлекает большое внимание в качестве перспективного альтернативного метода для тестирования твердотельных материалов, химических растворов и биологических объектов. Более того, эта ближнепольная технология дает возможность детектирования без использования маркирущих молекул, люминесцентных или радиоактивных. В дополнение к этим важнейшим методам распознавания на молекулярном уровне, технология БСММ является уникальным средством для исследования физических свойств в наномасштабе. Она реагирует на чрезвычайно малые вариации свойств материала и открывает большие возможности для высокочувствительного определения микропрофиля поверхности.

Abstract: The near-field scanning microwave microscope (NSMM) is a noncontact, nondestructive and label-free evaluation tool to obtain material properties with high contrast and high spatial resolution. This NSMM approach is based on nondestructive probing of a local electromagnetic near-field interaction between the probe tip and the materials under test, and can be used in exploring material characteristics such as electrical conductivity, dielectric permittivity, magnetic permeability, volumetric and thin film properties, etc. The changes in intrinsic impedance and material characteristics of various materials were investigated by NSMM by measuring the microwave reflection coefficient S 11 and resonant frequency shift Δ f / fr . These parameters can be easily measured using a commercial network analyzer. The NSMM detection technique has attracted considerable attention recently as a promising alternative sensor platform for use in solid state, chemical solution, and biological detection methods. Moreover, the near-field technique offers a label-free detection method that overcomes the need for targeting the molecules with fluorescent or radioactive labels. In addition to these important applications in molecular recognition, the NSMM technique is a unique experimental tool for investigating the physical properties at the nano-scale. The nano-scale probing technique using a NSMM means that it interacts in response to extremely small material property changes and has a great potential for investigating the surface profiles with high sensitivity.

Ключевые слова: Ближное поле, Нано-шкала, 3D отображение, биосенсоры, Microwaves, Near-field, Nano-scale, 3D mapping, Ближное поле, Нано-шкала


Литература / References
  1. Abu-Teir, M., Golosovsky, M., Davidov, D., Frenkel, A., and Goldberger, H. Near-Field Scanning Microwave Probe Based on a Dielectric Resonator // Rev. Sci. Instrum. 2001. Vol. 72. P. 2073.
  2. Kim, J., Kim, S., Lee, K., Lee, J., Cha, D., and Friedman, B. Development of a Near-Field Scanning Microwave Microscope Using a Tunable Resonance Cavity for High Resolution // Meas. Sci. Technol. 2003. Vol. 14. P. 7.
  3. Gao, C., Xiang, X.-D. Quantitative Microwave Near-Field Microscopy of Dielectric Properties // Rev. Sci. Instrum. 1998. Vol. 69. P. 846.
  4. Fragola, A., Aigouy, L., Mignotte, P., Formanek, F., and De Wilde, Y. Apertureless Scanning Near-Field Fluorescence Microscopy in Liquids. // Ultra-microscopy. 2004. Vol. 101. P. 47-54.
  5. Imtiaz, A., Baldwin, T., Nembach, H., Wallis, T., Kabos, P. Near-Field Microwave Microscope Measurements to Characterize Bulk Material Properties // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90. P. 243105.
  6. Rodriguez, M., Mandelis, A., Pan, G., Garcia, J., Gorodokin, V., Raskin, Y. Minority Carrier Lifetime and Iron Concentration Measurements on p-Si Wafers by Infrared Photothermal Radiometry and Microwave Photoconductance Decay // J. Appl. Phys. 2000. Vol. 87. P. 8113.
  7. Kunst, M., Wunsch, F., and Jokisch, D. Lateral Scanning of Si Based Systems by Measurements of the Microwave Photoconductance // Mat. Sci. Engin. B. 2003. Vol. 102. P. 173-178.
  8. Mircea, D., Clinton, T. Near-Field Microwave Probe for Local Ferromagnetic Resonance Characterization // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90. P. 142504.
  9. Kalinin, S., Gruverman, A. Scanning Probe Microscopy: Electrical and Electromechanical Phenomena at the Nanoscale. New York: Springer-Verlag, 2006.
  10. Steinhauer, D., Vlahacos, C., Wellstood, F., Anlage Steven, M., Canedy, C., Ramesh, R., Stanishevsky, A., and Melngailis, J. Quantitative Imaging of Dielectric Permittivity and Tunability with a Near-Field Scanning Microwave Microscope // Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. P. 2751.
  11. Friedman, B., Gaspar, M., Kalachikov, S., Lee, K., Levicky, R., Shen, G., and Yoo, H. Sensitive, Label-Free DNa Diagnostics Based on Near-Field Microwave Imaging // J. Am. Chem. Soc. 2005. Vol. 127. P. 9666-9667.
  12. Talanov, V., Scherz, A., Moreland, R., and Schwartz, A. A Near-Field Scanned Microwave Probe for Spatially Localized Electrical Metrology // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88. P. 134106.
  13. Imtiaz, A., Anlage, S., Barry, J., and Melngailis, J. Nanometer-Scale Material Contrast Imaging with a Near-Field Microwave Microscope // App. Phys. Lett. 2007. Vol. 90. P. 143106.
  14. Ohatsu, M. Near-Field Nano/Ato Optics and Technology. Tokyo: Springer-Verlag, 1998.
  15. Jackson, J. Classical Electrodynamics. New York: Wiley, 1975.
  16. Griffiths, D. Introduction to Electrodynamics, 3th ed. New York: Prentice, 1999.
  17. Pozar, D. M. Microwave Engineering. New York: Addison-Wesley, 1990.
  18. Kim, J., Babajanyan, A., Hovsepyan, A., Lee, K., and Friedman, B. Microwave Dielectric Resonator Biosensor for Aqueous Glucose Solution // Rev. Sci. Instrum. 2008. Vol. 79. P. 086107.
  19. Gao, C., Hu, B., Takeuchi, I., Chang, K., Xiang, X., and Wang, G. Quantitative Scanning Evanescent Microwave Microscopy and its Applications in Characterization of Functional Materials Libraries // Meas. Sci. Technol. 2005. Vol. 16. P. 248.
  20. Kim, S., You, H., Lee, K., Friedman, B., Gaspar, M., and Levicky, R. Distance Control for a Near-Field Scanning Microwave Microscope in Liquid Using a Quartz Tuning Fork // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 86. P. 153506.
  21. Melikyan, H., Sargsyan, T., Babajanyan, A., Kim, S., Kim, J., Lee, K., and Friedman, B. Hard Disk Magnetic Domain Nano-Spatial Resolution Imaging by Using a Near-Field Scanning Microwave Microscope with an AFM Probe Tip // J. Magn. Magn. Mater. 2009. Vol. 321. P. 2483-2487.
  22. Babajanyan, A., Kim, J., Kim, S., Lee, K., and Friedman, B. Sodium Chloride Sensing by Using a Near-Field Microwave Microprobe // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. P. 183504.
  23. Dimtrakopoulos, C. D., Malenfant, P. R. L. Organic Thin Film Transistors for Large Area Electronics // Adv. Mater. 2002. Vol. 14. P. 99-117.
  24. Lim, E., Manaka, T., Tamura, R., and Iwamoto, M. Maxwell-Wagner Model Analysis for the Capacitance-Voltage Characteristics of Pentacene Field Effect Transistor // Jpn. J. Appl. Phys. 2006. Vol. 45. P. 3712-3716.
  25. Kudo, K., Sumimoto, T., Hiraga, K., Kuniyoshi, Sh., and Tanaka, K. Evaluation of Electrical Properties of Evaporated Thin Films of Metal-Free, Copper and Lead Phthalocyanines by in-Situ Field Effect Measurements // Jpn. Appl. Phys. 1997. Vol. 36. P. 6994-6998.
  26. Suzue, Y., Manaka, T., and Iwamoto, M. Current-Voltage Characteristics of Pentacene Films: Effect of UV/Ozone Treatment on Au Electrodes // Jpn. J. Appl. Phys. 2005. Vol. 44. P. 561-565.
  27. Kirchartz, T., Rau, U., Kurth, M., Mattheis, J., and Werner, J. Comparative Study of Electroluminescence From Cu (In, Ga) Se2 and Si Solar Cells // Thin Solid Films. 2007. Vol. 515. P. 6238-6242.
  28. Anton, I., Sala, G., Heasman, K., Kern, R., and Bruton, T. Performance Prediction of Concentrator Solar Cells and Modules From Dark I-V Characteristics // Prog. Photovolt. Res. Appl. 2003. Vol. 11. P. 165-178.
  29. Noh, Y. Y., Kim, D. Y., and Yase, K. Highly Sensitive Thin-Film Organic Phototransistors: Effect of Wavelength of Light Source on Device Performance // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 98. P. 074505.
  30. Hamilton, M., Martin, S., and Kanicki, J. Thin-Film Organic Polymer Phototransistors // IEEE Trans. Electron Devices. 2004. Vol. 51. P. 877-885.
  31. Zhen, L., Shang, L., Liu, M., Tu, D., Ji, Z., Liu, X., Liu, G., Liu, J., and Wang, H. Light-Induced Hysteresis Characteristics of Copper Phthalocyanine Organic Thin-Film Transistors // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93. P. 203302.
  32. Chicinas, I. Soft Magnetic Nanocrystalline Powders Produced by Mechanical Alloying Routes // J. Optoelectron. Adv. Mater. 2006. Vol. 8. P. 439-448.
  33. Tabib-Azar, M., Wang, Y. Design and Fabrication of Scanning Near-Field Microwave Probes Compatible with Atomic Force Microscopy to Image Embedded Nanostructures // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2004. Vol. 52. P. 971-979.
  34. Hanai, T., Hamada, H., and Okamoto, M. Application of Bioinformatics for DNa Microarray Data to Bioscience, Bioengineering and Medical Fields // J. Biosci. Bioeng. 2006. Vol. 101. P. 377-384.
  35. Wang, L., Li, P. Microfluidic DNa Microarray Analysis: a Review // Anal. Chim. Acta. 2011. Vol. 687. P. 12-27.
  36. Ray, K., Ma, J., Oram, M., Lakowicz, J., and Black, L. Single-Molecule and FRET Fluorescence Correlation Spectroscopy Analyses of Phage DNa Packaging: Colocalization of Packaged Phage T4 DNa Ends Within the Capsid // J. Mol. Biol. 2010. Vol. 395. P. 1102-1113.
  37. Qi, Y., Li, B., Zhang, Zh. Label-Free and Homogeneous DNa Hybridization Detection Using Gold Nanoparticles-Based Chemiluiminescence System // Biosens. Bioelectron. 2009. Vol. 24. P. 3581-3586.
  38. Postma, H. Rapid Sequencing of Individual DNa Molecules in Graphene Nanogaps. // Nano Lett. 2010. Vol. 10. P. 420-425.
  39. Ozkumur, E., Ahn, S., Yalcin, A., Lopez, C., Cevik, E., Irani, R., DeLisi Ch., Chiari, M., and Unlu, M. Label-Free Microarray Imaging for Direct Detection of DNa Hybridization and Single-Nucleotide Mismatches. // Biosens. Bioelectron. 2010. Vol. 25. P. 1789-1795.
  40. Kim, S., Jang, Y., Kim, S., Kim, T., Melikyan, H., Babajanyan, A., Lee, K., and Friedman, B. Detection of DNA-Hybridization Using a Near-Field Scanning Microwave Microscope // J. Nanosci. Nanotechnol. 2011. Vol. 11. P. 4222-4226.
  41. Mayor, L., Moreira, R., Chenlo, F., and Sereno, A. Kinetics of Osmotic Dehydration of Pumpkin with Sodium Chloride Solutions // J. Food Eng. 2006. Vol. 74. P. 253-262.
  42. Rahmouni, K., Keddam, M., Srhiri, A., and Takenouti, H. Corrosion of Copper in 3% NaCl Solution Polluted by Sulphide Ions // Corros. Sci. 2005. Vol. 47. P. 3249-3266.
  43. Babajanyan, A., Melikyan, H., Kim, S., Kim, J., Lee, K., Friedman, B. Real-Time Noninvasive Measurement of Glucose Concentration Using a Microwave Biosensor. // J. Sens. 2010. Vol. 2010. Article ID: 452163.