SNOM综述

近场光学显微镜李德春2002.5.19内容综述探针制备举例综述历史与现状分类及基本原理引言人们发现STM、AFM条件过于苛刻，不如光学手段方便快速由于分子生物学问题、纳米尺度分辩的微电子学问题、纳米级分辩光存储等近代课题的出现，迫切需要解决纳米级分辩的光学显微成像技术。历史与现状400年前，荷兰科学家冯.劳文虎克（VanLoeuvenhook）发明了光学显微镜，使人们第一次观察到微米和亚微米大小的物体，并由此发现了生物体的基本构成单位细胞和传染病的元凶细菌。从此光学显微镜成为人们认识自然界的有力工具；1873年德国的E.Abbe就预言了显微镜的光学衍射极限的存在。后来Reyleigh用简明公式表述如下，即显微镜能分辨开的两个物点的距离：λ、n、θ分别为波长、折射率和半角孔径历史与现状（续）1928年E.H.Synge(辛格)和1956年奥基夫就先后预言式提出近场探测的原理：历史与现状（续）1972年阿什等用3cm波长微波进行近场光学显微成像原理性模拟演示试验，获得了一维分辩达到λ/60和二维成像分辩达到λ/20的结果1982年STM的出现，近场光学显微镜得以发展1984年瑞士苏黎世IBM的D.W.Pohl和A.Lewis等人分别独立研制成功了SNOM1989年出现了PSTM的成像技术，得到200nm的分辨率90年代后探针制备和T-S间距控制方法的改进，大大促进了近场光学显微镜的发展1992年美国Betzig等首先达到了高于50nm的分辨率历史与现状（续）国内外的研究组：法国Besancon大学courjon小组、美国AT&TBell实验室Betzing小组、德国Konstanz大学Bielefeldt和Krausch小组、丹麦Alborg大学Bozhevolnyi小组、美国Cornell大学Cline小组、荷兰Twente大学van-Hulst小组；在国内，北京、清华、中科大、南开、南京大学等都有对SNOM进行研究。综述分类及基本原理超衍射极限成像的基本条件1隐失波：受光照明物体的表面的近场包括两种成分:一种是传导波(propagatingwave),可从近场区域向远处传播而同时存在于远场区域；另一种是隐失波(evanescentwave)，其强度随距物体表面距离的增加而呈指数衰减且仅存在于近场区域:(n12=n1/n2,z是距界面高度，是入射角，n1光密n2光疏)2探测尖：最尖端尺度小于衍射极限尺度分类近场光学显微镜有两个主要分支：小孔扫描近场光学显微镜(A-SNOM)(ApertureScanningNear-fieldOpticalMicroscope)而根据光与样品之间的关系又可分为反射型（R）和透射型（T）两种光子扫描隧道显微镜（PSTM）(PhotonScanningTunnelingMicroscrope)透射式反射式Tip－Sample间距控制方式等高模式（Constantaltitudemode）等强模式（Constantintensitymode）剪切力控制模式（Shear-forcecontrolmode）间距控制的非光学方法光学方法的局限性非光学方法：直接探测－高频压电元件超声共振法电容传感器测距法原理简单地说近场光学探测是由一系列转换完成的：照射物体，产生隐失场；通过探针将隐失场转换成传导场；传导场被记录。总体结构A－探针B－样品台C－探针扫描控制D－光输入系统E－信号采集处理系统SNOM的不足之处PSTM成像过程中存在许多缺点：首先，为了得到强的隐失波场，其照明面积及辐射强度都比较大；其次，光学图象的对比度不仅与样品的表面轮廓有关，而且受到光束入射角、波长、偏振态、介质折射率、厚度和吸收以及光纤探针形态等诸多因素的影响，图象的解释始终是个难题；第三，探针与隐失波的相互作用无横向限制，在隐失波场的整个衰减区中的光都可能进入光探针，散射光和隐失波场都对检测信号作出贡献，使得信噪比下降；第四,对样品厚度等要求高。SNOM的不足之处（续）由于各类反射式SNOM（RSNOM)都不同程度的存在着：噪声背景干扰；照明接收光路干扰；收集光路数值孔径小。所以目前国际上RSNOM的成像分辨率普遍不及透射式SNOM，但是透射式SNOM对样品厚度和透明度的要求，同样是它的一个致命缺陷小结近场光学超衍射极限成像成功的关键：样品表面产生隐失场探测尖小于衍射极限采用抖动调制技术，以消除散射传输波的背景干扰探针的制备原料：普通的单模石英光纤，纤芯为掺有GeO2的SiO2，包层则为纯SiO2，折射率之差～0.2％。基本形状与结构：1、波导部分：这一部分起传输作用2、连接部分：缩颈区（D-zone）和过渡区(T-zone),其形状（锥形、双曲形、抛物形）对光输出比有直接影响3、针尖端头：决定近场图象的分辨率和光输出强度技术参数与制作方法小而亮探针的质量好坏，由下列参数衡量：探针针尖部位光输出（或输入）能量密度与光纤尾端光输入（或针尖外照射）能量密度之比定义为光输出比，它与探针大小形状以及材料有关；然而随着针尖直径的减小，探针传输效率急剧下降，例：耦合进光纤的激光功率1mW，当针尖直径100nm时，输出功率10nw，衰减为10－5，当锥尖直径为50nm时输出功率为0.1nw衰减为10－7。针尖半径，它反映探针实际孔径，主要由制作工艺决定；探针机械强度，它反映针尖扫描过程中的柔韧性，该参数和材料及探针的缩颈区形状有关，一般过渡区短、锥形的探针有较好的机械强度；针尖数值孔径，它反映探针对频谱的感应角度，由探针尖端的锥尖角决定，一般锥尖角大的探针有较大的数值孔径。制作方法：1.腐蚀法（HF)；2.熔拉法（CO2激光器）腐蚀法.NH4F(40%)：HF(50%)：H2O=2:1:125OC由于表面张力的作用，光纤与HF的端部形成一个圆月形液柱。随着腐蚀过程的进行，液柱高度不断下降，最终在光纤端部形成一个锥。腐蚀速率与HF的浓度温度及光纤材料有关，可通过严格控制腐蚀时间获得较小的锥尖直径腐蚀法（续）提升腐蚀法滴漏腐蚀法（云南大学物理系）条件：腐蚀液配比：HF(42%,3ml)，H2O（3ml），NH4F(95％，2～3g)光纤插入腐蚀液深度2～3mm加热温度：70～90oC滴漏速度为40～60滴/分腐蚀法（续）由于HF具有挥发性，会被液上的光纤吸收、聚集，导致这部分光纤被腐蚀，变细，从而使纤锥变得细长，锥角小（通常只有10度以下），这是很不利的。带保护层的化学腐蚀法：（中科大）有机液：异辛烷、甲苯、间二甲苯、色拉油等与HF不相容作用：1阻止挥发；2降低圆月形液柱高度。熔拉法影响形状因素：温度熔区大小拉力缺点腐蚀法：锥面不够光滑，常有腐蚀坑和毛刺等，他们将成为分散的散射中心，对探测不利耗时长，重复性差熔拉法：虽表面光滑、耗时短、重复性好，但纤芯直径较粗，搁置一段时间后由于静电等原因其表面会吸附杂质。镀金属膜真空蒸发镀铝两类探针的区别两类探针内部的形状的差异导致它们的传输特性不同严格的了解探针锥中的传输还比较困难，有人（中科大）经过近似计算得到：在锥长和针尖的相对孔径相同时，腐蚀锥的传输效率要比熔拉锥高一些例（南开大学光子学中心）在已有的STM基础上设计了一套集STM、PSTM、NSOM、SNAM为一体的多模式SPM。总体设计思路：尽量利用原有的系统控制、电路控制、减震装置、数据采集系统等；新增加模式的组件尽量独立化、结构化、小型化，并与原有的STM性能相匹配；各种模式切换尽量简单。谢谢大家李德春2002.5.19