（精密仪器及机械专业论文）基于模块化的保偏近场扫描光学显微镜近场探测及刻写(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中国科学技术大学硕二匕毕业论文 摘要 美国、日本、德国等发达国家对纳米探测、纳米光刻技术十分重视，纷纷投 入了大量的人力物力进行研究开发，已经取得了比较好的研究成果。而我们国家 的近场扫描光学显微镜的研制还处于起步阶段，目前仪器主要依赖进口，我们在 t o p o m e t r i x 的产品的基础上，研制出了自己特色的“模块化的保偏近场扫描光 学显微镜”，我们制成的横置的实验平台，它的光学部分采用水平放置的光学系 统，避免使用折射、反射元件避免光偏振态变化，同时采用短光纤探针避免由光 纤传输引起的偏振态变化。这种保偏型的s n o m 可广泛应用于各向异性样品的 表征、局域光学偏振态探测和偏振光刻写等研究领域。 本文结合国家自然科学基金项目一一“偶氮聚合物光致异构转化的近场观测 和定量分析( n o 6 0 3 7 7 0 0 4 ) ”的主要研究内容，实现了光纤探针的小批量生产， 完成了现有的近场扫描光学显微镜的改造，研制出了模块化的保偏近场扫描光学 显微镜，并使之适应定量测量局域的光学各向异性，文章中给出了定量测量局域 光学各向异性理论分析计算以及实验方法；为研究掺杂颗粒对聚合物顺反异构化 影响，对添加不同浓度的a g 纳米粒子偶氮聚合物进行了近场分析；利用光纤探 针实现了在纳米尺度上高分辨率刻画，为将偏振光调制和解调技术与光纤探针技 术结合，实现在纳米尺度上高分辨率刻画、光探测和定量测量局域光学各向异性 奠定了良好基础。 关键词：近场扫描光学显微镜，模块化，近场探测，近场刻写 中国科学技术大学硕士毕业论文 a b s t r a c t s n o mw e r ew i d e l yu s e di nn a n o m e t e r s c a l e d e t e c t i o na n dw r i t i n g i tw a s a t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o ni na m e r i c a ，j a p a n ，g e r m a n y ，a n dm u c hr e s o u r c ew a sd e v o t e d t ot h a t w h i l ei nc h i n a ，t h ed e v e l o p m e n to fs n o ms t a r t e do n l yf r o mr e c e n ty e a r s w e d e v e l o p e dan o v e lm o d u l a r i z e ds n o mw i t h t h em o d u l a r i z a t i o ni d e ab a s e do n t o p o m e t r i xc o m p a n y sp r o d u c t t h es n o mi n c l u d e sm o d u l e ss u c h a st u n i n g f o r k o p t i c a l f i b e r p r o b e ，s c a n n i n g h e a da n ds c a n n i n gp l a t f o r m ，a n de t c ，o fh i g h p e r f o r m a n c ea n de a s yo p e r a t i o n t h ep l a t f o r ma d o p t st h eh o r i z o n t a ll i g h tp a s sw h i c h p r e v e n t st h ep o l a r i z a t i o nc h a n g ec a u s e db yr e f r a c t i v e a n dr e f l e c t i v ee l e m e n t s ，s u c h p o l a r i z a t i o np r e s e r v e dn e a r - f i e l ds c a n n i n go p t i c a lm i c r o s c o p yw a sw i d e l yu s e di n t h ec h a r a c t e r i z a t i o no fa n i s o t r o p ys a m p l e s ，t h eo b s e r v a t i o no fl o c a lp o l a r i z a t i o na n d t h ep o l a r i z a t i o ne t c h i n ge t c w i t ht h e a i do fn s f c ( n o 6 0 3 7 7 0 0 4 ) ，an o v e lm o d u l a r i z e ds n o mw a s d e v e l o p e da n dt h em a n u f a c t u r i n gm e t h o d o ft h e t u n i n g f o r ko p t i c a l f i b e rp r o b e m o d u l ew a sp r e s e n t e d i no r d e rt oe n h a n c et h er e s p o n s ev e l o c i t yo f t h ea z op o l y m e r b e f o r ea n da f t e re x p o s a l ，t h en e a r - f i e l dc h a r a c t e r i z a t i o no fa z op o l y m e rd o p e dw i t h s i l v e rn a n o p a r t i c l e so fd i f f e r e n ts p a c i n gd i s t a n c ew e r ei n v e s t i g a t e d b yu s i n gt h eh i g h s e n s i t i v i t yo fd y n a m i cp o l a r i m e t r ya n dt h eh i g hs p a t i a lr e s o l u t i o no fs n o m ，w e c a l l q u a n t i t a t i v e l ym e a s u r et h eo p t i c a la n i s o t r o p yo f m a t e r i a l s t h et h e o r ya n dp l a t f o r mo f q u a n t i t a t i v em e a s u r ew a sp r e s e n t e d w ea l s oi m p l e m e n t e dt h en a n o w r i t i n gw i t h s n o m i ti sw e l lq u a l i f i e dt ob es u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f s n o m k e y w o r d s ：s n o m ，m o d u l a r i z e d ，n e a r - f i e l do b s e r v a t i o n ，n e a r - f i e l dw r i t i n g 中国科学技术大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 - 1 近场扫描光学显微镜发展简史 自从光学显微镜诞生至今的5 0 0 年间，人类为提高显微镜的分辨率进行了不 懈的努力，从1 8 0 0 年以后的近2 0 0 年中光学显微镜的分辨率已没有数量级上的改 进，事实上自3 0 0 年前发明复合透镜从而使显微镜分辨率有大的提高后，光学显微 镜的分辨率就基本上固定了。究其原因是因为显微镜存在一个由衍射效应引起的 “不可逾越”的分辨率极限。 早在一个多世纪以前，德国科学家阿贝( e r n e s t a b b e ) , 根据衍射理论得出结论： 由于衍射效应，传统光学显微镜能够探测到的物体最小细节总是大于波长的一 半。瑞币u ( r a y l e i g h ) 将阿贝衍射理论归纳为一个公式： j 塑 n s i n ( o ) 这就是人们所熟知的瑞利判据n ，。该判据表明，当且仅当物体上两点之间的距离 d 大于不等式右边所规定的量时，爿。被看作是分开的两点。这个量与入射光波长 丑、物方折射率n 以及显微物镜的半孔径角0 有关。通常n 2 ，s if i ( 口) l ，所以 可分辨的距离d 一般不小于五2 。 根据瑞利判据可知，提高分辨率的方法包括：选择非常短的辐射波长，如 利用紫外光、x 射线、电子等；提高折射率1 1 或显微镜的半孔径角0 ，如选用油 浸显微物镜。所有这些方法都为人们所熟知，但除了用电子替代光子的方法会明 显地提高分辨率外，其他解决办法只能稍微改善分辨率。但是用电子和离子作信 息载体的显微镜，如扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜和场离子显微镜，这些不 用光波( 即光子) 作信息载体的显微镜，存在一些根本性的弱点。首先，对观察样 品限制较多，例如样品必须是导体，不能是非导体和溶液等：其次，对样品环境 也有严格要求，如有的要求高真空等：最后，它们对观察的对象都会或多或少造 成损害。而光学显微镜对样品限制极少，它可以是非导体和液体，可以是有生命 的也可以是无生命的，可以是透明的也可以是不透明甚至发光的，不仅可以观察 处于静态的样品还可以观察动态情况下的样品。至于样品环境，更无特殊要求， 可以是常温大气压，也可以是非常温和非常压的环境。观察对物体不造成损伤则 更是光学显微镜的一大优点。近年来，随着光学技术的发展，出现的共聚焦显微 镜怛j 【习使光学显微镜的分辨率在衍射极限范围内略有所提高。但这些方法都不能 够使显微镜的分辨率有量级的突破。 1 9 2 8 年，英国的申奇( e h s y n g e ) 先生在 杂志的1 9 2 8 年第6 卷3 5 6 3 6 2 页，发表了一个新型显微镜的构想【4 】，并认为该新型显微镜的分辨率 中国科学技术大学f , , 3 i - k 毕业论文 可达到0 0 1 u m 甚至更好。由于种种原因，人类历史上第一个突破分辨极限的新型 显微镜的构想当时并未实现，他的文章也被人所遗忘，直到近场光学显微镜发明 七年后的1 9 9 0 年才被重新提起。 在申奇的新型显微镜构想提出以后的几十年间，主要是二次世界大战后，不 断有关于提高了光学显微镜分辨率的报道。1 9 5 0 年，r j m o o n 通过扫描一个 针孔得到了物体的显微图像，他认为用此方法可以得到比常规显微镜更高的分辨 率【5 j 。1 9 5 6 年j a 0 k e e f e 也建议了一个近场扫描显微镜方案，但是他较为 客观地说，实现他的设想是遥远的将来的事【6 】。申奇在发表自己新型显微镜构想 的时候还专门提出了以下几个关键技术问题，概述为： ( 1 ) 光源必须非常强： ( 2 ) 样品或探针必须实现纳米级的移动： ( 3 ) 制备出大小为纳米量级的小孔。 6 0 年代，激光器的发明解决了申奇指出的制造新型光学显微镜需要有强光 源的困难，但其它困难并未解决，因此，实际的近场光学显微镜在当时还是没条 件实现。但工作在微波区域的近场显微镜，却由e a a s h 和g n i c h o l s 先研 制成功了【7 】。他们用微波近场显微镜扫描线宽为1 0 ，0 7 5 和0 5 m m 金属光栅的 记录图。该记录证明他们的装置确实使分辨率超过了2 5 波长的衍射分辨极限。 因此，a s h 和n i c h o l s 在人类历史上第一个实际制造成了突破分辨率衍射极限的 显微镜。 8 0 年代初，扫描隧道显微镜的发明表明【8j ，申奇提出的第二个困难，即探针在 样品表面以上几个纳米距离上进行纳米步距的扫描技术已成熟。至此，申奇提出 的两个技术难题都得到解决。扫描隧道显微镜发明两年后( 1 9 8 4 ) ，发明扫描隧道显 微镜的i b m 苏黎世研究实验室的d w p o h l 等，设法解决了申奇提出的第三个技术 困难，在实心石英棒端面制备出纳米透光小孔，研制成了被他们自己称为“光学听 渗器”的扫描近场光学显微镜( s c a n n i n gn e a r f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p e ，s n o m ) t 9 】。 其分辨率极限达到了1 1 2 0 波长，首次实现了可见光波段由衍射效应导致的显微镜 分辨率极限的突破。但是p o h l 等人发明的扫描近场光学显微镜，在探针的性能以 及探针至样品表面的距离监控方面都存在本质性的缺陷，因此很难推广和应用。 1 9 8 6 年美国康奈尔大学的a h a r o o t a n i a n 等人用玻璃中空微导管探针代替 实心石英棒探头以改进探针性能，其分辨率达到了1 5 0 r i m 。 1 9 9 1 年，贝尔实验室的e b e t z i g 等人的第一个重大技术改进是他们用单模光 纤代替玻璃毛细管，研制成了一种新的探针【10 1 。他们的第二个重大技术改进是采 用激光探测针尖和样品问的切变力变化，并利用该切变力变化进行反馈控制的方 法，方便地解决了监控和探针针尖至样品表面之间距离至纳米量级的问题】。 e b e t z i g 等人所作的技术改进是近场扫描光学显微镜走向实用化的一个里 程碑，美国的t o p o m e t r i x 公司很快地在1 9 9 3 年1 0 月便推出了商品名为“a u r o r a ” 中田科学技术人学顺l 毕业论文 的近场扫描光学显微镜【】“，“a u r o r a ”结合了光学显微镜和高分辨率( 1 时，对应光场分布的高空间频率k x 、k y ，即样品上的小尺 寸结构，方程( 2 - 4 ) 变成： e ( k ，一，z ) = e ( t 叫k0 ) e x “一k 仃面巧两z 】( 2 - 6 ) 指数部分为实数，表明振幅e ( k 。一k ，z ) 随z 的增加而呈指数衰减，即该波 只能局域在样品表面而不能向远处传播，形成样品表面的局域倏逝波场。 从以上分析可以看到近场的结构并不简单。它包含两种成分，一种是可以向 外部传播的部分，形成传播场；另一种是被限制在样品表面而在样品之外迅速衰 减的部分，形成非辐射场。非辐射场是不均匀的场，其性质与样品的性质和结构 有密切关系。这种场是由于物质的存在而存在，不能在自由空问独立存在。这种 7 中国科学技术大学硕士毕业论文 非辐射场被称为倏逝波场( e v a n e s c e n tf i e l d ) 。在波的传播过程中倏逝波和辐射波 是共存的。二者所占的比例取决于样品所包含的亚波长结构特征。因此对于以小 尺寸特征为主的样品，近场分布以倏逝波为主。每一空间频率分量的振幅为 e ( k ，k ，z ) ，而e x p 2 r c i ( k 。x + ，y ) 、e x p 一引z 。 则表示波在x 、y 方向可以传 播，沿z 方向衰减，而且以光波频率振荡。z 。为倏逝波的有效穿透深度，即复振 幅衰减为z = 0 平面上场值的i e 时与样品表面的距离，并以此来衡量倏逝波的衰 减速度： 2 c 2 可霜i 万2z 万、厨万嘭河 ( 2 7 ) 从以上的分析中可知： ( 1 ) 尺寸小于波长的振荡电偶极子除产生向外辐射的传播场外，还同时产生 非辐射的隐失场。 ( 2 ) 隐失场是离开物体或光源表面在空间急剧衰减的电磁场，并以光波频率 振荡的电磁波。 ( 3 ) 所有隐失场均不向外辐射或输送能量，所以隐失场是非辐射场或非传播 场。 样品亚波长结构的信息隐藏在非辐射场中。非辐射场的强度随着离样品距离 的增大而迅速衰减，衰减的速度与空间频率成正比，所以结构越是精细，场就越 强烈地被束缚在样品表面。而远场只有传播波，不包含样品的亚波长结构信息， 因此从探测超分辨率信息的角度看，必须解决隐失场即近场探测问题。而在传统 的光场探测技术中，探测元件如显微物镜、光电探测器等总是放在远离被探测物 体的远场区。在近年发展起来的近场探测仪器，如扫描隧道显微镜，原子力显微 镜等，虽然把探针置于近场区，但成像的装置还是放在远场区。因此，近场探测 的核心问题是，把含有超分辨信息的隐失场变换为携带陔信息的可进行能量输送 的传播场，使放在远处的探测和成像器件可以接收到隐含在隐失场中的超分辨信 息。 根据偶极辐射理论。存在于隐失场小的偶极子，由于隐失场的作用，将感应 产生包含隐失场和辐射场的电磁波。因此，通过在隐失场中放置任何可看作偶极 子的尺寸或起伏小于波长的物体，如针尖或小球，感应产生同时包含隐失场和传 播场的电磁场时，就可以通过后者，把超分辨率信息传达到远处的探测器。根据光 的可逆性原理，即当光的传播方向反转时，光将沿入射的途径逆向传播的原理，我 们将很自然地得出结论：如果用含有超分辨信息的隐失波照射具有小于波长的精 8 中同科学技术大学坝l 毕业论文 细结构或空间起伏的物体，则这些精细结构或空间起伏的物体就可把隐失波转换 成含有超分辨信息的传导波，为远处探测器所接收。 根据以上叙述，如图2 2 所示为近场探测示意图。要想得到样品的亚波长结 构信息，必须探测倏逝波场。而倏逝波场被束缚在表面，因此必须将探针放置到 物体的近场区域。结构尺寸越小，倏逝波的局域性越强，需要探针和样品的间距 就越小。 图2 - 2 近场探测示意图 近场探测的工作原理可以总结为：( 1 ) 无论用传播波还是倏逝波照明，高频 物体均产生倏逝波：( 2 ) 所产生的倏逝波不服从瑞利判据，它们能够在远小于波 长的距离上显示局部的强烈变化；( 3 ) 通过另一个小的有限物体将倏逝场转换成 传播场和倏逝波场的方法，这种不可探测的高频局部场可以转换成传播场；( 4 ) 最后，将后者导向合适的远端探测器即可实现对倏逝波场的探测。而且，倏逝波 到传播场的转换是成比例的。因此，用探测器探测到的传播场中包含物体的高频 信息。为了产生二维图像，使这个小的有限物体f 光纤探针的最尖端) 沿物体表面 进行扫描，由所得到的探测数据重构图像。 2 2 近场扫描光学显微镜仪器结构及其原理 传统光学显微镜主要由光源，包括平面定位和垂直聚焦机械装置的载物( 样 品) 台和由物镜及目镜构成的光学放大系统三部分组成。近场光学显微镜的结构 总体上可与传统光学显微镜的结构一一对应起来。但原理上还是有很大的差别， 首先，照明光源的尺度和照明方法不同。传统光学显微镜用扩展光源在远场照明 中固科学技术人学硕l 毕业论文 样品，而近场光学显微镜是用纳米局城光源在纳米尺度的近场距离内照明样品。 其次成像方法不同，传统光学显微镜可用肉眼或成像仪器( 照相机、摄像机等) 直接 观察或接收放大了的物体的图像，而在近场光学显微镜中，由显微物镜放大并经 光电倍增管接收的来自样品的局域光信号不能形成样品的图像，它要用扫描技术 使局域光源逐点网格状照明样品，然后由光电接收器接收这些光信号，再借助计 算机才能把来自样品各点的局域光信号构画出样品的图像。 以下是自制的模块化的保偏近场扫描光学显微镜。其结构和原理示意图分别 如下图2 3 和2 - 4 所示，仪器主要指标： x - y 线性扫描范围：3 0 u m x3 0 u m ； 扫描台在z 方向的线性移动范围：3 u m ，可扩展； 光学分辨率：5 0 n m 一1 0 0 n m ，取决于探针质量： 样品尺寸：小于2 0 m m 2 0 m m ： 样品台水平移动范围：6 m m 6 m m ： z 步进距离：小于1 0 0 n m 。 图2 - 3s n o m 仪器( 横置型) 中罔科学技术大学硼l 毕业论文 图2 4 模块化s n o m 原理示意图 s n o m 采用模块化设计，主要分为光电检测系统、扫描探头、扫描台、控 制系统四大模块。光学系统可根据需要添加光学元件：扫描台包括样品台、压电 陶瓷管和显微物镜。s n o m 工作时，样品置于样品台上，探针选择音叉光纤探 针模块的谐振点，利用剪切力控制探针和样品间距在纳米距离内。扫描过程中样 品台实现光栅扫描和高度调整，保持探针和样品间的恒定剪切力作用，可以同时 得到样品的形貌和光学图像。由于采用模块化设计，可以灵活的改变光电检测系 统实现多种模式的探测。 根据探针所起具体作用不同，我们可以把发展至今的各种近场光学显微镜分 成如图2 - 5 所示的三类工作模式，第一类是探针只为样品提供近场局域照明激发 光的照明模，第二类是探针只在近场收集来自样品的光信号的收集模，第三类是 把探针同时作照明和收集用的照明收集模。像普通显微镜那样，按对样品进行 照明方式不同前两种工作模式又可进步分为透射照明和反射照明两种方 式。因此，近场光学显微镜可有五种基本工作模式，如表2 1 和图2 - 5 所示。在 各种模式中，探针和显微物镜可有不同的功用，但它们只分别工作于近场和远场。 中国科学技术大学碗士毕业论文 表2 一l 近场扫描光学显微镜的工作模式 工作模式探针功能 照明方式 显微镜作用 1 照明照明样品a 透射收集样品光 b 反射 2 收集收集样品光a 透射照明样品 b 反射 3 照明收集照明样品厂收反射 集样品反射光 鹋泛 1 j 挝【l j j 棋 透射 口翟霸团麴豳 乳，2 射固 3 照蚪收哦梭 图25 不同工作模式的近场扫描光学显微镜示意图 基于以上各种工作模式，在以后的工作中，我们会用到其中的两种工作模式 透射式的照明模和收集模，在以后的叙述中会详细介绍。 2 - 3 近场扫描光学显微镜的关键技术 传统( 远场) 光学显微镜由光学镜头组成，其关键部件是透镜，如显微物镜和 目镜，显微物镜的放大倍数和数值孔径等参数决定了仪器分辨率等性能。由于可 见光的成像直接被人眼睛所接收，同时易于操作，造价较低，因而成为实验观察与 检测的常规工具。人们可以方便地将被观察物体放大以便观察，然而光学成像的 放大倍数是不能任意增大的，如果要将光学放大倍数提高到上千倍以上时将受到 一个严重的障碍，即光学衍射极限。 而近场扫描光学显微镜采用其独特的设计能克服衍射极限的限制可获得纳 米级的分辨率。如同其它扫描探针显微镜( s t m ，a f m ) ，近场扫描光学显微镜 主要包括：( 1 ) 探针，( 2 ) 信号采集及处理，( 3 ) 探针一样品间距的反馈控制( 4 ) x y 扫描及( 5 ) 图像处理。( 4 ) 和( 5 ) 是已经很成熟的扫描探针显微技术。而 器 中国科学技术大学硕士毕业论文 ( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 则与其它技术有区别。 ( 1 ) 探针：与s t m 中的金属探, f i na f m 的悬臂探针不同的是，s n o m 中般 采用介电材料探针，可以反射或接收光子，尖端尺度在1 l o o n m ，以能够将收集 到的光子传送到探测器，探针可用拉伸光纤”1 1 1 8 】，四方玻璃尖端，石英晶体等 制成。 ( 2 ) 信息探测：对于近场扫描光学显微镜，光子信息均来自纳米尺度区域。 信号强度一般很低( 约n w c m 2 ) ，因而需经光电倍增管( p m t ) ，光二极管或c c d 相机将光信号转换为电信号而放大，同时利用调制一锁相放大技术抑制噪声，以 提高信噪比。 ( 3 ) 探针一样品间距控制：理想的调控方法应当是与光信号完全独立的机制， 以使待测信号不受到光学相互作用，避免引入复杂性。而实际方案中，则难以避 免这一问题，目前常用的方法有：a 隐失场调控，利用隐失场强度随z 增加而指 数下降关系，将探针放入隐失场里，控制范围在0 ( 3 0 一4 0 ) ，这种方法中， 探测光信号与调控信号有较强相互作用。b 切变力调控，当以本征频率振荡的探 针靠近样品表面时( 5 0 n m ) ，由于振荡的针尖与样品问作用力( 毛细力，表面张 力等) ，其振荡幅度及相位均会有较大变化，利用这个变化可以将探针控制在 z = 5 2 0 n m 范围，比较成熟的方案有切变力调控方式，双束干涉，共振音叉和超 声共振方式等。 因此可看出s n o m 的成像质量强烈的依赖于其所用的针尖，因此制备高质量 的探针以及控制探针与样品间距技术成为发展s n o m 技术的关键。 2 - 4 本章小结 本章阐述了近场探测和近场扫描光学显微镜的基本原理，根据其原理，简单介 绍了自制的模块化的保偏近场扫描光学显微镜的仪器结构和原理示意图，以及影响 近场扫描光学显微镜的关键技术。 中国科学技术人学坝十毕业论文 第三章s n o m 探针一样品间距控制及扫描探针分析制作 由上一章的分析可知，近场光学显微镜的关键技术在于探针与样品 ( p r o b e s a m p i e ) 间距的测控和光纤探针的制作，它们决定了近场扫描光学显微 镜的分辨率、灵敏度及传输效率等，因此我们专门用一章来做详细介绍。 3 一l 近场扫描光学显微镜探针与样品间距离的控制 近场扫描光学显微镜像其它扫描探针显微镜一样，采用逐点扫描技术才能获 得物体的形貌和光学图像。在扫描过程中，一个十分关键的问题就是必须使探针 与样品间的距离在近场( 几纳米到几十纳米) 尺度范围内保持某一恒定值。这些 技术主要概括如下： 1 隧穿电流强度测控技术 这种方法利用探测样品形貌的隧穿电流的本身强度的变化，进行探针与样品 间距离的测控。这个技术的优点是设备简单，操作简便，缺点是样品必须是导体。 从而丧失了光学显微镜对样品限制很少的这一重要特点，因而多数近场光学显微 镜不采用。 2 近场光强度测控技术 这种方式类似于扫描隧道显微镜，利用探测样品形貌表面的隐失波强度的变 化检测和控制探针与样品的距离。由于探针与样品剧距的监控信号和成像信号是 同一隐失场的信号，因此近场像的信号将受到探针的干扰，很容易使近场像发生 畸变，造成近场像不能真实反映样品的形貌。此外，样品表面隐失波强度相当弱， 只能限于透射照明方式中使用，因而利用表面隐失波的方法不能普遍应用于近场 扫描光学显微镜。 3 切变力强度测控技术 这种方法是b e t z i g 等人，参照原子力显微镜提出的，当人们使探针平行于 样品表面的方向以探针的机械共振频率颤动并向样品表面接近时，在探针垂直接 近到样品表面近场范围时，探针与样品间的相互作用力将产生横向切变力，此时 探针的颤动幅度会因为受切变力的阻尼而减小，于是，探针颤动幅度的大小就反 映了探针至样品的距离。用反馈方法维持针尖颤动的幅度，就能使针尖至样品间 的距离稳定在某一定值。这种方法的关键技术是对探针颤动幅度的测量技术，可 以采用光学或者非光学的方法来解决这个问题。 ( 1 ) 光学方法 该方法通过激光照射探针来感知探针颤动的幅度或位相，从而检测探针至 样品的距离。这种光学方法中探测探针样品距离时所用的监测激光对来自样品 的近场光学信号不可避免地会造成很大的干扰，不利于样品的成像，更为近场 14 中国科学技术大学硕士毕业论文 光学显微镜应用于光谱学研究、磁学研究和低温研究带来了很大困难。为此人 们发展了用非光学手段探测切变力的方法。 ( 2 ) 非光学方法 非光学方法探测探针样品距离通常是把光纤探针固定在石英音叉的叉股 上，再把音叉固定在压电陶瓷管上，通过外加电压于压电陶瓷管，或者直接 用频率发生器产生的电压驱动石英音又f ”】，使得音又在其共振频率上平行于样 品表面振动。当探针和样品间的距离改变时，音叉振幅和相位随之改变，从而反 过来影响石英音叉的电压，用此振幅或( 和) 相位变化引起的电压的改变就能监 测探针样品间的距离。 我们采用的就是将光纤探针与石英压电音叉( 6 m m 1 5 m m 0 3 m m ) 结合，在 石英压电音又驱动下激励探针振动，来精确控制探针一样品间距。压电石英音 叉一光纤探针一样品系统有以下所示两种。 图3 1 石英音叉光纤探针样品结构示意图 对于此系统的机械振动特性，在s n o m 中石英音叉控制探针一一样品间距的 机制2 1 1 中有详细介绍。我们采用的系统是图中( b ) 所示的结构，对于这两种系 统作用机制完全相同，只是机电特性略有差别。 探针一一样品距离控制系统框图如下3 - 2 。 理担 图3 - 2 探针样品距离控制系统框图 际使置 测控系统首先通过音叉传感器测量探针振动的幅度和相位，将测量结果与期 15 中国科学技术大学硕士毕业论文 望值进行比较后送入p i 调节器，由p i 调节器的输出控制执行机构( 压电陶瓷管) 从而得到实际的p r o b e - s a m p l e 距离，整个系统是一个闭环控制系统。通过控制 探针的振动幅度，在探针和样品间距很小时，探针和样品问的作用力会使探针的 振幅减小，同时振动相位也会产生一定的偏移。闭环控制电路通过提高激励电压， 能够维持探针幅值恒定，通过提取反馈信号可以得到探针和样品间的作用力信号 ( 振幅输出信号) ，同时通过比较激励信号与探针振动信号问的相位变化也能得 到探针和样品间的作用力信号( 相位输出信号) 。输出信号送入控制仪器的信号 输入端。 石英晶体是一种各向异性的结晶体，自从石英晶体谐振器被发现以来，其作 为振荡器而在实验和理论方面已经进行了半个世纪的研究，一系列有价值的理论 和实验成果使得谐振传感器的发展具有可靠的理论基础，我们所用到的音叉传感 器也同样是基于石英晶体谐振原理，它在实际应用方面的领域还在继续拓宽。我 们采用光纤探针粘在石英音叉的一臂，其模块制作及其谐振频率参数值将在下一 节给出。 3 - 2 近场扫描光学显微镜音叉光纤探针模块制作 由第二章中近场扫描近场光学显微镜的成像原理可知，s n o m 的成像质量强 烈的依赖于其所用的针尖，因此制备高质量的探针以及控制探针与样品问距技术 成为发展s n o m 技术的关键。目前国外有商业化的音叉探针产品，但其价格昂贵。 我们实验室从事近场显微镜和光探针制作研究多年，近年来我们研制了简单易用 的近场扫描光学显微镜，其主要特点是采用了模块化的音叉和光探针，使得在近 场探测过程中易于操作。制作高质量的音叉光探针模块是获得高质量扫描图像的 关键。 我们的音叉光纤探针模块结构是由p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 、音叉和 光纤探针经焊结、粘合而成，通过激励音叉谐振观察光纤探针和音叉产生的谐振 峰以判断音叉光纤探针模块的质量。最终制成的音叉光纤探针模块的照片见图 3 3 。 中困科学技术人学硕i 毕业论文 图3 - 3 音又光纤探针模块 音叉光纤探针的制作步骤大概可以用以下的框图( 3 - 4 ) 来表示，后面我们 将对音叉光纤探针模块的制作做详细介绍。 匡至蛩一区鲴匡圈 一 ，| 1 曹叉卷纤i r 耀冒旗块| 堕j 一 图3 4 音叉光纤探针模块制作过程 1 光纤探针的制作 在扫描隧道显微镜发明两年后( 1 9 8 4 ) ，发明扫描隧道显微镜的i b m 苏黎世研 究实验室的dw p o h l 等设法解决了申奇提出的第三个技术困难，在实心石英棒端 面制备出了纳米透光小孔， 1 9 8 6 年美国康奈尔大学的a h a r o o t a n i a n 等人用玻璃中空微导管探针代替实 心石英棒探头以改进探针性能，其分辨率达到了1 5 0 n m 。 1 9 9 1 年，贝尔实验室的e b e t z i g 等人的第一个重大技术改进是他们用单模光 纤代替玻璃毛细管，研制成了一种新的探针，使得s n o m 的分辨率大大提高。 现在s n o m 中常用的就是用单模光纤制成的扫描探针。s n o m 光纤探针的 制作方法可分为两类：化学腐蚀法2 2 1 和熔拉法幻1 。下面分别简单介绍这两种制 作方法。 ( 1 ) 热拉伸法制备光纤探针 热拉法，即对剥去护套的光纤进行局部加热使之熔融软化，然后使用外力将 中固科学技术人学坝i 。毕业论文 其拉制成锥。加热源通常采用c 0 2 激光器。 般实现的方法是：利用激光器加热，将重物悬挂在光纤一端，另一端装夹 于夹具上，使光纤处于较稳定状态，不会受到单摆效应的影响。不断增大激光器 功率，光纤外层的塑料保护层很快被熔化，而光纤内层的石英玻璃丝也随着功率 的增大而处于熔融状态。在重物的拉力下拉出锥形后断开，其中激光器的功率必 须不断调节以适应需要。在该实验装置下，影响光纤探针的三个主要参数为：激 光器能量、激光器加热光点尺寸和施加于光纤端的重物拉力。 悬挂于光纤一端的重物在重量选择上要求严格，拉丝张力导致光纤中产生残 余应力，而光纤中的残余应力会影响光纤的强度。实验表明，裸光纤拉丝张力在 不超过8 0 9 8 l m n 的情况下，对光纤强度影响可以不予考虑。所以应将拉力控 制在8 0 9 8 1 a n 以下。但是由于在较高拉丝温度下应使光纤迅速熔断，所以重 物拉力必须足够大。以重物控制在7 0 8 0 9 8 1 m n 为宜。 ( 2 ) 腐蚀法制备光纤探针 光纤探针化学腐蚀法的般过程是：将剥去保护套的光纤端面垂直浸入浓度 约4 0 的h f 溶液中，浸入深度约5 m m 。由于表面张力作用，在光纤以h f 溶 液表面的交界处将形成一个弯月形液柱。随着腐蚀过程的进行，液柱高度不断下 降，最终将在光纤的端部形成一个锥。腐蚀速率与h f 溶液的浓度和温度以及光 纤的材料有关，通过严格控制腐蚀时问可获得较小的针尖直径。 光纤探针决定着s n o m 成像的分辨率和信噪比，要求它具有很小的光阑和 较高的透过率，但这两者却是相互矛盾的。目前，光纤探针的光阑的直径一般为 5 0 1 5 0 n m ，透过率为l o - 。i o 。理论和实验表明”，探针的透过率与它的圆 锥角有很大的关系，圆锥角越大，透过率越高，光的损失也就减小。然而，圆锥 角的增大在制作工艺上又为针尖直径的减小带来困难。 以上介绍的光纤探针较常用的制作方法，但是早期的这两种方法虽然简单快 捷，但都存在其自身的弱点。热拉伸法制得的光纤探针针尖过长，锥角过小，且 有时会使探针尖端出现卷曲的极细丝。而由腐蚀法制作光纤探针时，由于h f 具 有挥发性，部分挥发出的h f 被溶液上面的光纤吸附、聚集，这将导致这部分光 纤也遭到腐蚀而使光纤变得细长，锥角小( 通常只有l o o 以下) 。为此，人们提 出了多种提高探针质量的制作方法。 一种是采用带保护层的化学腐蚀法【2 ，其原理是在h f 表面覆盖一层与h f 互 不相溶的有机溶液，这样就可以阻止h f 挥发，起到保护溶液上方的光纤不被腐蚀 的作用，通过采取不同的保护层溶液进行实验，最后得到锥角为3 6 。，针尖直径 约5 0 r i m 的探针。另- - e e 是采用先熔拉后腐蚀的复合方法【2 ”，先用熔拉法将光纤制 成针尖，再用腐蚀法来增大针尖圆锥角最后得到光阑直径8 0 n m ，圆锥角8 0 。， 透过率6 i 0 “的光纤探针。也有只采取化学腐蚀法，但是腐蚀液是由其它溶液 中国科学技术大学坝十毕业论文 跟h f 组成的缓冲溶液，并且严格控制这两种溶液的浓度比，以得到比较好的光纤 探针【2 。不管采用哪种方法，都是围绕增大圆锥角，减小光阑直径为中心。 利用腐蚀法制作的探针传输效率高，但表面较粗糙，有腐蚀坑，易形成散射 中心；利用热拉法制作的探针，虽然重复性好，但包层和纤芯渐变度大，引起额 外损耗。综合考虑各种因素，我们采用先熔拉后腐蚀的综合方法，以弥补腐蚀法 和拉伸法各自的不足。 i 拉伸：剥去光纤( 标准的单模光纤) 的保护层( 其中一小段) ，然后将被 剥去保护层部分的光纤置于下图3 5 中两夹具中间。 光纤 擘一 图 图3 - 5 光纤探针拉伸示意图 夹具利用弹簧拉力使光纤被夹紧，选择合适的夹紧力以确保探针尖端不会出 现卷曲的细丝，c 0 2 激光器功率为1 5 w ，电流i o m a ，打开激光器时，在激光和弹簧 拉力的作用下光纤被拉断并形成针尖，但此时得到的针尖比较长，而且锥角很小。 i i 腐蚀：腐蚀液使用的是h f ，取一定量的h f 溶液于能透光且不被h f 腐蚀 的玻璃器皿中，用光纤夹夹住刚刚拉伸好的光纤，将光纤被拉成尖的部分朝下垂 直放入h f 中，通过c c d 实时监控光纤被腐蚀的状态，当腐蚀到一定量时移开h f ， 将光纤放入去离子水中，以免光纤上残留的h f 继续腐蚀光纤探针。腐蚀过程如 下图所示： 中国科学技术大学坝l 毕业论文 拉伸过的 光纤探错 图3 6 光纤探针腐蚀过程示意图 i i i 镀膜：针尖的镀膜对于光纤探针至关重要，因为即使针尖的直径很小， 如果在针尖的侧面没有能够有效阻止光泄漏的金属层，仍旧无法获得一个很小的 光阑。目前针尖的镀膜般是采用真空蒸发镀膜的方法。我们采用的也是这种方 法，针尖腐蚀后应尽快进行镀膜，这样可以减小尘埃的吸附，避免将来铝膜上产 生许多针孔拉”，镀膜过程为：在一个旋转台上依次放8 根已经过拉伸和腐蚀的 光纤探针，将旋转台置于真空镀膜机中，采用钨丝加热，蒸发时，光纤绕轴自转， 铝膜的厚度约为l o o 2 0 0 n m 。最后得到的光纤探针截面图为： ( a ) ( b )( c ) 图3 7镀金属膜纳米光纤探针截面图及结构 图中，( a ) 是镀膜后纳米光纤探针截面图，( b ) 是金属膜纳米探针结构图 ( c ) 是最后制成的光纤探针。 中同科学技术人学顺士毕业论文 2 光纤探针与音叉的粘合 上文提到我们采用的是石英音叉谐振器，其谐振频率是3 2 7 6 8 k h z ，采用精密 定位仪器装置将其定位并与线路板焊接。下一步是将光纤探针与音又的粘合，这 是一个非常重要的环节，粘合时要保证光纤和音叉足够清洁，而且对胶粘剂以及 胶粘剂的量都有比较高的要求。有文章专门研究不同胶粘剂对石英音叉剪切力控 距的影响【2 9 1 。我们首先对石英音又一光纤探针一样品系统的机械特性作分析。 系统见图3 1 。下面将给出系统的机械振动方程。 石英音叉振动模式为( x y t ) + 妒切型石英棒的厚度弯曲振动每个单臂的 长、宽和厚分别为】、胪和t ，音叉单臂y z l x = o 平面称为中性面，两侧对称分布， 并分别伸长缩短，使探针沿x 方向平行于样品表面振动。石英音叉两臂的侧面上 镀有银电极，激励电压为r o e ( 其中嵋为激励电压幅值：为激励电压频率) 。 石英音叉的压电方程为： 互= 最一q 2 巨 ( 3 1 ) d i = g ：邑+ s i 巨 ( 3 2 ) 其中，t ：为y 方向正应力：s 。为y 方向正应变；d l 为x 方向电感应强度；e 1 为x 方向电场强度：为石英音叉y 方向正应变弹性系数；e ，：为石英音叉压电常数 y x 分量；占i 为介电常数x x 分量。 由于石英音又的基部为驻波的结点，为简化系统，可考虑音叉单臂。由( 3 1 ) 式可列出该系统在交变电场激励下振动方程为： 等邢纠删掣+ c 管争= 参c 等，c 。吲 其中，“为音叉单臂位移：a 为音叉周围空气的阻尼和音叉振荡时的迟滞 阻尼：屈是粘上光纤探针后光纤对音叉的阻尼：屈( d ) 为p r o b e s a m p l e ( p s ) 间剪切力阻尼：o f 为由于粘上光纤探针后由于弹性系数变化而引入的修正因子 p 为系统密度：是由信号发生器提供的激励电压通过逆压电效应在晶体上 形成的等效切应力。 迄今关于探针样品i 司剪切力阻尼的机制还很不清楚，没有形成完整的理论。 这早将p s i f i 的介质考虑为牛顿流体，则屈( d ) 可表示为： 中国科学技术大学硕士毕业论文 2 删，= 0 3 2 6 警刍等 ( 3 4 ) 其中，a 是探针顶端表面积：玎为ps 间介质的等效粘滞系数。( 34 ) 式说明p s 问剪切力阻尼屈( d ) 与其间距离d 成反比。 对( 3 3 ) 式求解并考虑系统工作在石英音叉的基频( = 3 2 7 6 8 k h z ) 附 近，得到系统稳态解为： u ( y ) = b 矿e 。“+ 。 其中l = a i ( c o s h k t y c o s k y ) + 6 i ( s i n h k l y s i n k , y ) 心舶器丽丽赢丽丽 砰= 型1 2 p 砰 p ：t a i l - l ( 一丝型銎掣业) c o , 一0 9 d ：j 竺一 。2 ( 属+ 屈+ 层( d ) ) q = o 7 0 7 ，b i = 一0 5 8 1 ，k l = o 5 7 9 ，r 1 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 一l o ) ( 3 1 1 ) c = 1 6 ( v e l 2 t 2 n 3 石) t a n h ( n t r w 2 t )( 3 1 2 ) _ 。1 3 综上可知：当石英音叉粘上光纤探针后，由于光纤探针的阻尼作用，系统的 振幅、品质因数都变小，即系统的能耗和等效阻抗变大，因而流过音叉的电流会 变小。因而对光纤探针不同粘法系统，其固有频率的改变也有所不同。由( 3 8 ) 式可知，对于图3 l ( a ) ，由于粘上光纤探针后系统等效密度增加，固有频率以 将减小：由于光纤处于音叉中性面上，振动过程中光纤几乎没有拉伸，对系统产 生的附加弹性系数很小，az1 。对于图3 1 ( b ) ，由于振动过程中光纤拉伸产 生的回复力使系统弹性系数的增加，口增大，因而固有频率以增大。此外，系 统其它参数也将产生相应的变化。 由上面的分析可知，当把光纤粘在音叉上后，对系统的谐振影响较大。在实 、j 6 ， 吲 一 沪 沪 中田干1 学技术人学坝i 毕业论正 验中，不管是微尘还是胶水的量，或者光纤探针伸出音叉的量，都有可能会使音 叉粘上光纤探针后整个系统不能偕振，因此要严格的控制这些参数。对于光纤伸 出探针的量，一般针尖伸出音叉约l m m ，经过多次实验，我们制作的音叉光纤探 针模块一般使光纤探针的尖端部分正好伸出音叉如i - - 图3 8 所示： 光纤探针 鼋 音义 图38音叉光纤探引模块示意图 采用高精度的调整机构和监视设备将光纤探针与音叉