近场光学显微镜技术与应用简介

IntroductionoftheNear-FieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM)technologiesandapplications近場光學顯微鏡技術及應用簡介國立中興大學材料科學與工程系表面科學期末報告授課教師：許豐薰教授班級：101材料碩專二姓名：陳威宇5101066001報告日期：2013-12-24報告內容•簡介•基本原理•儀器構造•技術應用簡介•NSOM是利用掃描式顯微鏡的控制技術，將光學探針在小於一個光學波長的距離下，突破傳統光學的繞射限制，量測物體表面的形貌與光學性質。AFM解析度1nmNSOM解析度20nm直徑為100nm之聚乙烯材料(圖片來源：美國標準局)圖片來源：國家儀器實驗室-儀科中心簡訊79期：基本原理•遠場光學-光學繞射極限根據英國物理學Rayleigh準則，觀測物體時，存在所謂的光學繞射極限，當兩物體之距離大於
時，才能被分辨出來。欲提高解析度只能透過增加數值孔徑、減少光源波長，但有其極限。
=.  = . ..=量測光之波長=介質折射係數=光學孔徑之⁄張角N.A.=數值孔徑圖片來源：黃貞翰-探針強化近場掃描式光學顯微鏡之研製(成功大學95年6月27日)基本原理•近場光學1928年英國人E.H.Synge提出一個構想；在遠小於一個波長的距離(稱之為近場)，對待測物做光學量測，可避免在大於一個光波長距離下，由於光的波動性，所產生的干射與繞射，而可以獲得高空間解析度的訊號。圖片來源：黃貞翰-探針強化近場掃描式光學顯微鏡之研製(成功大學95年6月27日)基本原理•近場光學基礎理論當光照射在物體表面(xy面)形成光場分佈E(x,y,0)，此光場與其空間頻率場(angularspectrum)的關係由傅立葉轉換(Fouriertransform)及亥姆霍茲方程(Helmholtzequation)，得一通解：,,=,,0exp (#2%1−− ∙)當+≤1時，其A(m,n,z)與A(m,n,0)僅差一個相位因數，即近場的低空間頻率資訊A(m,n,0)是通過傳導的平面波傳播到遠場的當+1時，此時與A(m,n,z)相聯繫的平面波實際上是在z方向呈指數迅速衰減的衰逝波（evanescentwave）。衰逝波是非輻射的平面波，所以高空間頻率的資訊只在近場明顯存在。(、為物體平面光場的空間頻率，表面細節越多，空間頻率越高)。基本原理•如何獲得近場資訊圖片來源：林柏宏-光學記錄點之近場光學影像的研究(台灣師範大學光電科技研究所92年)•在高頻訊號未消逝的距離之內，並在一維平面下進行掃瞄，便可獲得高解析影像，成像平面所接受到的訊號便是孔穴的資訊與小孔穴做捲積後的圖形。•在遠離方孔下，只有空間低頻訊號能傳遞，而高頻訊號會沿著表面傳遞而很快的消逝。•若孔穴越小，高空間截止頻率高，變可通過更多高頻的訊號，獲得更高解析度。基本原理•如何獲得近場資訊圖片來源：林柏宏-光學記錄點之近場光學影像的研究(台灣師範大學光電科技研究所92年)•當遠方有一個入射光源，會使得樣品表面產生空間低頻訊號的傳遞波(Propagatedwave)與高頻訊號的消散波(Evanescentwave)。•若我們利用一個奈米顆粒靠近樣品，並對樣品表面的消散場做一擾動，則能使表面的消散波轉換成傳遞波而在遠場被接收，進而獲得樣品表面的資訊。•而光纖探針則是扮演此一接收器Aperturetype)或干擾器(Scattertype)的角色。•光纖孔徑及如何維持探針在幾個奈米的距離，是最重要的兩個因素。儀器構造•典型NSOM的主要部件•光源系統•探針系統•樣品台•掃描控制系統•資料收集系統儀器構造•NSOM主要操作模式照明模式收集模式雙向模式儀器構造•NSOM主要的探針控制模式儀器構造•光纖探針熱拉法優點：製備快、表面光滑缺點：錐角小，易碎，光通量低化學蝕刻法優點：製備快、光通量高缺點：使用HF、表面不易控制儀器構造•光纖探針鍍膜：鋁蒸鍍目的：改善圓錐光孔之漏光問題，但也會影響收光效率微製備法優點：重複性高，可大量生產缺點：製程複雜儀器構造•光纖的缺點•孔徑越小，解析度越高，但孔徑過小時，受到「波長截止效應」，光線無法再通過孔徑•孔徑越小，光透過量越低•光熱效應問題，降低光強度、破壞樣品表面•尖端極易脆碎儀器構造•無孔式(散射式)s-NSOM•利用探針與樣品表面的光學耦合效應，在探針幾何形狀與激發光源波段在最適合的情況下可達到如數千個以上的交疊作用場，此會大幅的增強區域電磁場場強度。•因為沒有光纖孔徑的限制，解析度大幅提高，可至1nm。技術應用•高分辨率成像(空間分辨率優於100nm)，特殊條件下可達1-5nm。•同時收集樣品表面的形貌和光學圖像•近場螢光與高分辨超快時間分辨光譜，亞微米尺度近場區域光譜。•奈米材料、加工、光儲存•原子操縱近場光學顯微鏡半導體元件薄膜物理生物學單分子操控/單分子光譜奈米加工高密度儲存技術應用•高密度近場光碟利用非線性光學的薄膜，使聚焦光點通過此特殊薄膜後，光點的尺寸變小至繞涉極限以下，並在近場的距離內作用，進行光學記錄。以近場光學探針來進行近場光學記錄的架構示意圖技術應用•利用NSOM研究藍光LED發光分布。•探針與樣品之距離與解析度•樣品通入電流與光場強度分布陳少章-利用掃描是近場光學顯微鏡研究藍光LED表面發光分布-中興大學奈米科學研究所99年碩士論文技術應用光源為532nm之綠光雷射所掃描的近場光學影像(6)：(a)薄膜成長在有凸起的截頂圓錐體圖形藍寶石基板的原始影像，(b)與(c)為使用SPIP軟體處理(a)影像後之結果；(d)薄膜成長在有圓錐凹洞圖形之藍寶石基板原始影像，(e)與(f)為使用SPIP軟體處理(d)影像後之結果李良箴等-掃描式近場光學顯微鏡應用於圖形化藍寶石基板上成長的GaN薄膜之非破壞性檢測-科儀新知第三十四卷第三期101.12參考資料•李益誠-利用無孔式近場掃描式光學顯微術於電漿子結構之研究-國立成功大學光電科學與工程研究所•黃貞翰-探針強化近場掃描式光學顯微鏡之研製-國立成功大學工程與科學研究所•鄭心雄-近場光學顯微術運用於DVD光碟片奈米記錄點影像之研究-國立臺灣師範大學光電科技研究所•陳少章-利用掃描是近場光學顯微鏡研究藍光LED表面發光分布-中興大學奈米科學研究所99年碩士論文•李良箴等-掃描式近場光學顯微鏡應用於圖形化藍寶石基板上成長的GaN薄膜之非破壞性檢測-科儀新知第三十四卷第三期101.12•林柏宏-光學記錄點之近場光學影像的研究(台灣師範大學光電科技研究所92年)報告完畢敬請指教