光学显微技术结课论文.docx

燕 山 大 学 光 显 微 技 术 结 课 论 文 燕山大学光 学 显 微 技 术 结 课 论 文 题目：光子扫描隧道显微技术在光电成像系统中的应用 学院（系）： 理学院 年级专业： 10级电子(1)班 学 号： 100108040008 学生姓名： 张营 指导教师： 孙伟 教师职称： 讲师 第 2 页 共 10 页燕 山 大 学 光 学 显 微 技 术 结 课 论 文光子扫描隧道显微技术在光电成像系统中的应用张营理学院10级电子信息科学与技术（1）班摘要：本文通过电子隧道效应理论和光子隧道效应理论的对比，内全反射（TIR）棱镜表面成指数衰减规律消逝场的分析，叙述了一种新型的光子扫描隧道显微技术(PSTM)及其在光电成像系统中的应用。将被分析的样品置于棱镜表面，它便会空间上调制上述消逝场，通过对被调制消逝场的检测、分析，获得远小于光波波长的空间分辩能力，进而可以得到高分辨率、清晰度的样品表面形貌图。本文还利用PSTM的系统框图叙述了光子扫描隧道显微技术在光电成像系统中的工作原理，简要介绍了PSTM系统的光纤探针、机械调节装置、三维扫描控制器件和微机控制系统等几大重要结构部件及其分别对样品成像质量好坏的重要影响。关键字：光子隧道效应；光子扫描隧道显微镜；光纤探针；光电成像系统Keywords：Photon tunneling effect ; Photon scanning tunneling microscopy ; The optical fiber probe ; Photoelectric imaging system引言1982年，电子扫描隧道显微镜（STM )的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。利用对光子隧道效应进行检测而产生的光子扫描隧道显微技术是近些年来才出现的一种新型的非接触式显微技术。目前研制的光子扫描隧道显微镜（PSTM）在结构上与STM类似，制作简单，能获得高分辨率、清晰度的物质表面结构。但PSTM相对于STM具有可用于电解质和绝缘体等不导电样品表面的观测，可进行表面三维立体成像和不需要真空工作条件，成本、维护费用均很低等优点。因此，PSTM在光学领域、材料表面科学等领域有更广阔的应用前景。目前国际上已经展开了PSTM技术在多领域、多方面的应用，本次课题主要研究PSTM技术在光电成像系统中的工作原理及应用。1 电子扫描隧道显微技术1.1 隧道效应对于经典物理学来说，当粒子的动能E低于前方势垒高度V0时，它不可能越此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这就是隧道效应。根据量子力学的波动理论，粒子穿过势垒的透射系数T16E(V0-E)V02e-2a2m(V0-E) （1）1由此可见，透射系数T与势垒高度a、能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减。1.2 电子隧道效应及STM成像原理 STM成像技术就是基于量子力学中的隧道效应与原理，通过探测固体表面原子中的电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。根据量子力学理论，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与样品的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离n2，根据折射定理，当人射角1，增加到一定程度，就有sin2=n1sin1n21， 此时， 2就不是一个实数，而是一个复数，相应地就会在介面上发生内部全反射。这时，根据物理光学的理论，在介面上， n2介质中就会产生指数衰减的消逝场，即消逝场场强I的关系式为Iexp-k0Zn12sin12-n2212 （3）4其中k0=2，1为人射角，Z为等幅面常数。图 1 全反射下的消逝场示意图4根据理论推算，我们可求出这一消逝场的穿人深度小于n个光波长，即在可见光波长数量级。由此我们可以得出，当发生内部全反射时，沿Z方向会产生在波长量级内迅速衰减掉的消逝场。当第三个介质n3十分接近n1与n2的界面，且n3n2，那么虽然光波在第一个界面上会产生全反射，但由于第二个界面的存在，并在这二个界面的距离足够小时（在消逝范围内），全反射受到抑制，我们称此现象为“受抑全反射”（FTR），如图2所示。 图 2 受抑全反射现象示意图5由于FTR与量子力学中的穿透势垒的电子隧道效应极为相似，所以，可以用光子隧道概念论述FTR3，此时光子(消逝场)可以穿过介质n2而进人介质n3，如图3所示。 （a） （b）图 3 （a）电子与势垒的相互作用示意图（b）光子双界面相互作用示意图32.2 PSTM成像原理虽然PSTM在功能结构上与STM有诸多相近之处，但两者的成像原理具有本质上的区别。PSTM成像技术就是基于上述光子隧道理论而建立起来的，如图4所示，当一束光在棱镜n1内以大于临界角的角度1人射时，则在棱镜介面上会发生内部全反射。将一折射率大于n2的光纤探针n3非常接近样品表面且在消逝场范围（光波长量级）内，则会产生光子隧道效应，且由公式（3）可知，场强I与光纤探针离棱镜表面的距离Z的增大成指数衰减关系。当在棱镜表面镀上一层样品膜时，消逝场因受到样品膜表面形状起伏不同的调制而发生相应的变化，即消逝场的场分布包含有样品的表面起伏信息。所以，当探针在样品表面扫描时，就带有其样品表面特征信息。当光纤探针在样品表面进行横向二维扫描时，由于场强I带有样品表面起伏（即纵向）信息，我们就可观测到样品的三维显微形貌图。图 4 PSTM的成像原理示意图43 PSTM系统结构3.1 整体结构光子扫描隧道显微镜在光电成像系统应用中，包括探针的制备、机械调节装置、三维扫描控制器件、光路设计等内容。光子扫描隧道显微镜的系统框图，如图5所示。PSTM有两种工作模式，一是使探针维持在一定的高度Z沿表面扫描，称为等高度模式；另一种是采用反馈电路，调节探针高度Z，使场强I保持不变，称为等光强模式。本次课题介绍的是等光强模式的PSTM，用He-Ne激光器输出波长为632.8nm的激光，以满足全内反射的条件入射，在样品表面形成光斑，产生消逝场。光纤探针固定在压电陶瓷管上，附加纵向电压，陶瓷管可以纵向伸缩，电动调整光纤探针与样品之间的距离。陶瓷管、棱镜工作台、样品均固定在工作台上，整个工作台又固定在双目显微镜的观察台上。由可变焦的光学显微镜来监视整个实验成像操作。将光纤探头接受的信号经光纤传输到光电转换器件，再输入至前置电路，然后接入扫描控制箱，根据所定的阈值电压，控制尖端做等幅度扫面，为保持等幅度扫描而做的反馈调节便可作为图像数据由微机系统控制采集，并进行数据处理，然后在图像终端上以灰度调制的顶视图来显示三维立体图像，得到比较直观的样品表面形貌图。图 5 PSTM系统框图73.2 重要部件光纤探针是PSTM区别于STM和其他显微仪器的重要标志，也是PSTM系统本身极为重要的部件，因此，光纤探针的制备是整个PSTM系统中一个非常关键的环节，它直接关系到整个实验系统的分辨率，以致最终成像质量的好坏。要使PSTM的分辨率提高就必须使光纤探针的针尖足够细，目前光纤探头加工工艺主要采用化学腐蚀法，即用氢氟酸来腐蚀光纤，使光纤的一端腐蚀出很细的探针尖(用此方法可腐蚀出直径为150nm的针尖)，而另一端连接于光电倍增管上进行光电转换。为了检测到消逝场迅速指数衰减的微弱光，则必须将探针尖调节到非常接近样品表面的地方，可以利用厚度不同的簧片的刚度差来实现这一机械微调5，调节范围100m-500m。由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为三维扫描控制器件。压电陶瓷利用了压电现象，即指给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。在压电陶瓷管的各个电极上加电压，固定在压电陶瓷管的光纤探针就会进行三个方向的微动，从而实现了横向扫描及反馈控制纵向高度的功能。PSTM是一个纳米级的随动系统，因此，微机控制系统也是一个重要的部分。光子扫描隧道显微镜要用微机控制电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后不断采集隧道电流，在恒电流模式中将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的前进与后退，从而保持隧道电流的稳定。4 总结与讨论PSTM成像系统不受一般光学显微镜半波长衍射极限的限制，横向分辨率可达40nm，而且分辨率只与消逝场的衰减长度及探针的直径有关。PSTM能克服电子扫描隧道显微镜不能对电解质或绝缘体表面进行检测的缺点，能分析金属、半导体、绝缘体等各种材料。PSTM作为一种八十年代末提出的，亚波长量级的显微技术，在国际上已被越来越多的科学家所采用，在科学领域上具有广阔的前景。目前，有人在STM上研制出PSTM，并将二者结合起来应用到物质检测方面10，也有人研制出分析型PSTM，用全反射的衰减场的共振吸收谱来研究绝缘体表面的性质9，还有人用来研究光致电流的问题等8。总之，PSTM在近场范围内检测光发射及光的特性是有很大前途的。但由于目前对近场范围内样品表面的光特性及光子隧道效应理论缺乏深入、定量的研究。所以，对于各种实验结果的理论解释众说纷纭，无一系统的权威的理论来指导实验。因此，对于理论物理学家目前的当务之急是建立一套完整的微观光子理论，以便进一步指导实验的发展方向。参考文献1 卢卡斯 伯特赫克特.纳米光学原理，2006；2 玻恩 沃尔夫.光学原理（上册）.黄乐天等译.科学出版社，1978；3 Philip W Baumerster ，Appl.Opt.， 1967； 4 郭守 高松等.光学技术学报，1994.第3期；5 姚骏恩等.中国科学院.电子显微学报， 1988； 6