掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡

掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡匯報(bào)人：主要內(nèi)容1.概述2.SNOM的發(fā)展歷史3.基本原理及相關(guān)技術(shù)4.應(yīng)用前景

掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM——ScanningNear-fieldOpticalMicroscopy）是依據(jù)近場(chǎng)探測(cè)原理發(fā)展起來的一種光學(xué)掃描探針顯微（SPM）技術(shù)。其分辯率突破光學(xué)衍射極限，達(dá)到10~200nm。在技術(shù)應(yīng)用上，SNOM為單分子探測(cè)，生物結(jié)構(gòu)、納米微結(jié)構(gòu)的研究，半導(dǎo)體缺陷分析及量子結(jié)構(gòu)研究等多個(gè)領(lǐng)域提供了一種有力的工具；在物理上，它將量子光學(xué)、波導(dǎo)光學(xué)、介關(guān)物理等多個(gè)學(xué)科聯(lián)系在一起，并由此開辟了一個(gè)新的光學(xué)研究領(lǐng)域——近場(chǎng)光學(xué)（Near-fieldOptics）。概述SNOM的發(fā)展歷史

及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1928年，E.H.Synge提出“近場(chǎng)探測(cè)原理”1972年，E.A.Ash等人在微波波段(λ=3cm)實(shí)現(xiàn)了λ/60(0.5mm)的分辨率1981年，IBM的G.Binnig發(fā)明了STM1982年，D.W.Plhl實(shí)現(xiàn)了SNOM分辨率為25nm90年代后，Bell實(shí)驗(yàn)室的E.Betzig解決了鍍Al膜的光纖超微探針制備和針尖－樣品間距控制這兩個(gè)難題目前，在我國(guó)較有影響的國(guó)外產(chǎn)品有：美國(guó)ThermoMicroscopes，Inc公司的SNOM，德國(guó)OMICRONVakuunphysikGmbH公司的Twin-SNOM等。國(guó)內(nèi)已有清華大學(xué)、北京大學(xué)、大連理工大學(xué)以及上海光學(xué)儀器研究所等多家研究小組在開發(fā)或研制掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，研制光纖探針的小組更多。SNOM的原理常規(guī)的光學(xué)方法：探測(cè)元件（如鏡頭）則位于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)中，由于衍射效應(yīng)，只能獲得由傳播場(chǎng)攜帶的大于波長(zhǎng)一半的結(jié)構(gòu)信息。近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡：光學(xué)探針尖端的孔徑遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)。當(dāng)把這樣的亞波長(zhǎng)光孔放置在近場(chǎng)區(qū)域時(shí)，可以探測(cè)到豐富的亞微米光學(xué)信息。隱失波及隱失場(chǎng)在近場(chǎng)中，一方面它包括可以向遠(yuǎn)處傳播的分量，又包括了僅僅限于物體表面一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的成分。它的特征是“依附”于物體表面，強(qiáng)度隨離開表面的距離增加而迅速衰減，不能在自由空間存在，因而被稱為隱失波。它的特點(diǎn)是沿x-y方向傳播，而沿z方向迅速消失，并且以光的頻率振蕩。由隱失波構(gòu)成的場(chǎng)稱為隱失場(chǎng)或者非傳播場(chǎng)。當(dāng)一個(gè)亞波長(zhǎng)的微小光源，在一物體的近場(chǎng)范圍內(nèi)照射物體時(shí)，照射光斑的面積只和孔徑大小有關(guān)，而與波長(zhǎng)無關(guān)。這樣，在反射光或透射光中，將攜帶物體亞波長(zhǎng)尺寸結(jié)構(gòu)的信息，通過采集樣品各“點(diǎn)”的信號(hào)光，即可得到分辨率小于半波長(zhǎng)的樣品的近場(chǎng)圖象。有關(guān)SNOM的幾個(gè)技術(shù)問題光學(xué)“探針”的制作

Tip-Sample間距的控制不同的SNOM模式SNOM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)光學(xué)探針A樣品臺(tái)B探針掃描控制C（包括T－S間距控制）光輸入系統(tǒng)D信號(hào)采集處理系統(tǒng)E光學(xué)探針光學(xué)探針是SNOM中的一個(gè)關(guān)鍵元件，它的質(zhì)量決定了SNOM系統(tǒng)圖象的分辨率和信噪比（這里所謂的“探針”指具有亞波長(zhǎng)尺度的微小光源或信號(hào)接收器）。一般講，用于SNOM中的探針要求“小而亮”。探針尖端孔徑越小，SNOM的分辨率越高；但另一方面，信號(hào)光又必須足夠強(qiáng)，才能有足夠的信噪比。

錐形光纖微探針

其中，為了防止光信號(hào)泄漏，在連接部針尖外圍鍍有幾十納米層的金屬膜。將激光傳導(dǎo)到10－100nm微區(qū)，在樣品激發(fā)的信號(hào)被光學(xué)鏡頭接受、記錄。當(dāng)探針做二維掃描時(shí)同時(shí)得到樣品形貌和近場(chǎng)光分布。探針和樣品間距保持在10－50納米的近場(chǎng)范圍。

Tip－Sample間距的控制主要有三種方法：等高模式（Constantaltitudemode）等光強(qiáng)模式（Constantintensitymode）剪切力控制模式（Shear-forcecontrolmode)等高模式針尖在一個(gè)固定水平高度上掃描，光信號(hào)強(qiáng)度的起伏反映了表面形貌的起伏，這種模式適用于表面極為平整的樣品，目前較少采用。等光強(qiáng)模式針尖按照設(shè)定的光強(qiáng)值，隨表面光強(qiáng)的起伏而上下起伏，反饋信號(hào)反映了表面光強(qiáng)的變化。由于在近場(chǎng)范圍中，光強(qiáng)與間距的關(guān)系并不是單調(diào)變化的，因此反饋信號(hào)的起伏并不嚴(yán)格反映表面的形貌。剪切力模式由于針尖與樣品之間存在一些長(zhǎng)程力（如粘滯力等），并存在一個(gè)共振頻率f(d),當(dāng)探針在按等光強(qiáng)模式掃描的同時(shí)，沿一水平方向以這一共振頻率作微小振蕩，針尖在這一方向上的振動(dòng)將受到阻礙而容易被觀測(cè)到。這樣，針尖可以按照固定的T－S間距上下起伏。不同的SNOM模式第一類為孔徑型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(ApetureSNOM)，采用亞波長(zhǎng)的小孔（或針尖）作微光源或微探測(cè)器，而且激發(fā)光與被探測(cè)的信號(hào)光的方向是平行的。第二類是光子掃描隧道顯微鏡（PSTOM又稱STOM）,激發(fā)光斜射入樣品，通過全內(nèi)反射在樣品表面形成消逝場(chǎng)，置于消逝場(chǎng)的光探針實(shí)際是一個(gè)散射中心，它將非輻射場(chǎng)通過轉(zhuǎn)換成傳輸波而被探測(cè)。

接收模式照射模式光子隧道模式反射模式應(yīng)用前景1.單分子觀測(cè)2.細(xì)胞和細(xì)胞器精細(xì)結(jié)構(gòu)3.高密度信息存儲(chǔ)單分子觀測(cè)利用SNOM，E.betzig小組已在室溫下成功地觀察到固化在PMMA有機(jī)膜中的啞鈴形碳花青染料分子及其取向。細(xì)胞和細(xì)胞器的精細(xì)結(jié)構(gòu)94年，美國(guó)太平洋西北實(shí)驗(yàn)室的謝曉亮等人利用SNOM技術(shù)，發(fā)現(xiàn)葉綠素系統(tǒng)中的一些獨(dú)立蛋白合成物在thylakoid膜上分布情況。Thylakoid膜是植物發(fā)生光合作用的地方，蛋白合成物嵌在膜中，吸收陽(yáng)光并通過一系列的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為植物自己的能量。它們?cè)谀ど系姆植记闆r有助于了解不同合成物之間能量的處理機(jī)制，從而在分子水平上研究光合作用中包含的化學(xué)反應(yīng)，包括電子轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)移以及蛋白質(zhì)構(gòu)型變化。高密度信息存儲(chǔ)

目前使用的光盤采用的是遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)，讀寫斑的尺寸被衍射極限控制在1mm左右，存儲(chǔ)密度約為50MB/cm2。若采用近場(chǎng)技術(shù)使讀寫斑的尺寸減小到20nm，則密度可提高到125GB/cm2。按此密度計(jì)算，一張30cm光盤的總?cè)萘靠蛇_(dá)1014bit，相當(dāng)于美國(guó)國(guó)會(huì)100年檔案信息量的總和，接近人腦的總存儲(chǔ)能力(1015bit)。參考文獻(xiàn)鄧江東，掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡原理及其應(yīng)用，激光與電子學(xué)進(jìn)展，1997年第2期朱星，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，現(xiàn)代科學(xué)儀