掃描近場光學(xué)顯微鏡

1、掃描近場光學(xué)顯微鏡朱星一I北京大步物理系 北京 】871）可742A【摘要】本丈簡個近場光學(xué)的基本原理非軸射埼的探測與高分則半的關(guān)系：近場光學(xué)星徴鏡的儀若發(fā)展。同時簡 妾介紹近場光學(xué)憶微鏡在垃高分辨至丸學(xué)成象納來尺度光于微加工與光刻離密度磁光存錯近場光誥尋領(lǐng)城中的應(yīng)用Abstract Thi article diwuac、the Ba sic principles of near (idd uptics* the relationship between non-rndiative dvtcciion and high spatial resolution optical confinemen

2、t on small objects uhe application ol scanning near-held optical nucruscupt SNM in super-resolution opiical imaging 4 nanometric optical lilhography and rianostructuring； high density magnvio-optica) storage ；near-field *jXrcrrscopy on nanometer s(a)e objects.關(guān)鍵詞些這學(xué) 沖近場*學(xué)是癱空高分辯率Key words： Near-held

3、Optics Scanning Near-Geld OpliC4)Microcopt- diffraction limit uper-resolulion0引言8、）年代以來科學(xué)與技術(shù)向亞做米 與納果尺雯的進展推進了以實空間高 分擁觀察為標志貳勺描探針顯微技術(shù)的 發(fā)展在在學(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)了-卜新的學(xué) 科 近場光學(xué).近場吃學(xué)對傳統(tǒng)的光 CA學(xué)分褲極限產(chǎn)生了革命性的突破.餅型 己7 的打描近場光學(xué)顯黴鏡（SNOM Scan, mn Nuar-fkld Opiical Microscope-又 稱NSUM的出現(xiàn)使人們的視野由人射 比枝長半的尺度拓總到波長的幾十分 之即納米尺度.在近場尤學(xué)顯澈鏡 中傳統(tǒng)光

4、學(xué)儀器中的軟頭被細小的光 學(xué)探針所代替其尖瑞的孔徑遠小于光 的波E當把這樣的亞波氏光孔放置在 距離物質(zhì)表面一個波氏以內(nèi)即近場區(qū) 域時可N採測到豐富的亞微米光學(xué)信 息 這蘭精細結(jié)構(gòu)信息僅僅佯在于表面 的卄傳播場內(nèi)而在常規(guī)的光學(xué)方法中 探測元件（如鏡頭）則位于遠遠*1于波長 的遠場中由r衍射效應(yīng)光斑的尺寸隨 距離増加而擴大常規(guī)顯微鏡只能獲得 由傳播場攜帶的大于波長一半的結(jié)構(gòu)信 息即受到衍射極限的限制當掃描隧道址澈鏡（STM）在1981 年出現(xiàn)時就有人幾乎同時提出近場 亢學(xué)顯澈說的設(shè)患1983門二這兩種高 空間分碎孝的技術(shù)的基本原理很鉗似： STM是瘡于隧道電子的探測而近場比 學(xué)顯微鏡足探測隧也比子

5、.由于光子具 有一些待殊的性頤如：沒有質(zhì)啟、電中 社波K比較與電子相比較幾容易改 變偏拆特件、可以在空氣及許多介電材料中傳播等等近場）1學(xué)在納味尺度觀 察上血到其他掃描探針顯微鏡如 STM 原產(chǎn)顯微鋰（AFM 所不能取代 的作用同時由于以上兒種技術(shù)均是硏 究納米尺度探針坊物質(zhì)的相互作用匕陡 道光亍探針、陡道電子採針匣子力揮針 等等因廁形成了一門新也的學(xué)科一探 針物理1近場光學(xué)基本原理近場龍學(xué)的枝心問題是探測束繩莊 物體表面的菲輛射場j方面處于近場 區(qū)城的非輻射場內(nèi)包含物體結(jié)構(gòu)的細節(jié) （、“信息另一方面由于這個場陸看 離開表面距離呈折數(shù)式袞堿因而在遠 場即常規(guī)的比學(xué)觀察中無法探測到，關(guān) 于探測非

6、輻射場的槪念并不是近年來才 提出的早在128年.SjmR“:在一篇題 為將顯做分辨率拓展到超髙分瞬率的 方法”一文中清雄地提出用尺度為0 納農(nóng)的小孔在距離樣品10納米處扌描 形成一幅二維的圖彖的設(shè)想.在這種直 觀的描述中Synge已經(jīng)清楚地預(yù)測了 現(xiàn)代近場光審顯微說的主姜特征當然 由F技術(shù)發(fā)展的限制當時不可能制備 這樣小的光孔并且可靠地放人近場以 及二維掃描.這樣一個扱其聰明的設(shè)想 被人們忽略了幾十年.直到197U年. Asb和Nichok應(yīng)用近場的槪念在微 波波段U=3cm）實現(xiàn)了分聲率為“6U 的二維成象.傳統(tǒng)的亢學(xué)顯微鏡由比學(xué)說頭組 成.由于可見光的成您直接械人眼晴所 接收同時易于操作逍

7、價較低因而成為實驗觀察與檢測的常規(guī)工具“人們可 以方便地將被規(guī)察物體放大至上下倍以 獲得細節(jié)倍息同時還可以利用光的偏 振吸收反射.尢譜特性進行綜合性研 究，然而尤學(xué)成象的放大倍數(shù)是F能 任意增大的.如果蔥將光學(xué)放大倍數(shù)提 高列上T倍以上時將受到一個嚴亜的障 礙，即光學(xué)衍射極限由于比波的衍射汶 應(yīng)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辯率不能超過 光波長的一半-例如以波長入= 400nm 的綠光做尢源則僅能分辨相距為2M 納米的兩個物體，在實際應(yīng)用中（入， 40Cw分強率更要低些。這個規(guī)律是 一個多世紀前由徳國科學(xué)家ErnM 八bbe根據(jù)射埋論惟導(dǎo)出米的“刖后 Rayleigh歸納為一個常用公式稱為瑞利 判據(jù)：這個

8、判據(jù)說明當光的波長為八用 折射率為比圈的半張角為的鏡頭 觀察相晚為了的兩個物體時只有在滿 足上式條件下才能分辨它們當使用髙 數(shù)值孔徑的鏡頭時sir）Wjl3 1.5）分辨率廠的上限約為波長的一半. 由于這個限制用常規(guī)顯微鏡不可能分 辨比入/2更小的物體可以看;爪提高分 矯率可能通過幾個方面實現(xiàn)：1選擇短 的波長入（如紫外光M2使用商折射率“ 的材料，如浸油鏡頭3）增加顯微鏡的比 圈張角0近年來比學(xué)技術(shù)的進展如共 焦式顯微鏡confocal microscope）.使用 A=325nm時得到100納米的分辨牢. 其它菲線性技術(shù)上的進歩如衣光子聘 明顯微鏡與“共焦顯微鏡使光學(xué)顯做現(xiàn)代科學(xué)儀卷6 4

9、WKI. & 13 *J乙ti1l-f t*飩的獷昭本頂賂有提高、但是所有這些 穿b對寸分嶄率的捏高都是有取的.我們知逋迄今為止的尢量實臉觀 烘旳莊距肉物庫很述的位程（物 1從面場的分布可以劃分為兩個區(qū)域： 址供物體表面僅僅幾個波K的區(qū) 減稱勿近場底域囲-部分從近場E城 廷亡匕窮池處稱為匹場區(qū)域 常規(guī)的觀 察LNX嶇伐鋰望遠銃及各種尢學(xué)鍛 乞均處丁遠場范圍.近場的結(jié)構(gòu)則相當 沁方向它包括可以向遠處傳播的。址乂包拆僅僅限于物體表面一個 aStKN內(nèi)的成分.k們在世紀以肪 汕點識別近場的存在其復(fù)雜件：它的 竹ill 依附”與物體表面強度砲離開 攵閱的距離的憎加而迅速衰域不能在 n Hl vMff

10、ft因而被稱為隱失波 | .nv*rni waxm 由亍沒有適當?shù)挠^ V G!莊穩(wěn)定地探測近場中陷失波所攜 帶的旳作裕細信息.I們只能在很遠的 魁；廠A述場幼判件避廳觀探而這樣 ;：?”仲說到衍煦限的限制因而. 僅侶匹場信息是能重構(gòu)杓作的細節(jié) Ua xy村描屋心、 圖象處理 這里是已經(jīng)成乳的打 描抹針顯微技術(shù) 采用計算機控制電子 氓路微區(qū)的打描一般由壓電技術(shù)來實 現(xiàn)控制猜度可以優(yōu)于O.OJnm.豐富的 圖形處理方法可討將數(shù)字圖第做平潸. 誌誡村哎亮.Fuurfer變換濾波等. 而仃）宀丨2）則勺其它技術(shù)有R別STM屮的彷屬探針和 AEM的懸皆探燈不同的巴這里股釆 川介電林料探針可以反肘或接收光

11、F- 父瑞尺度在1151 乂能夠?qū)⑹章实?的比F傳送刊採利器探針可用扭伸比 纖四方玻璃塵端:石英晶體:等 制成高質(zhì)供探針是孩心問題2信息探測：由于光子信息均來自 納米尺度K域信號強度-股飛低 nw需經(jīng)址電倍增管（PMT.吃二極評或CCF）相機梅比信號轉(zhuǎn)抄為 電佶號而放人同時利用啊樹 楨相效 大技術(shù)抑制噪擊以提高佶噪比.：3探針樣品間距控制：理想的調(diào) 桂方法應(yīng)當址與尤后兮兄全獨立的機 制以使壽測信號札啜劉尤學(xué)榊互作用. 避免引人芟親性：而實障方系中則誰十 避免這一問題目前席用的方進；i）隱失場調(diào)控：利用隱失場強茨隨 x增加而描數(shù)下降關(guān)系將探針放臨 失場里控制范圍-mo幾這種方 法中探測光信號與調(diào)

12、控信號有較強郴 互作用.ii）切變力調(diào)控 當以本征頻率媒禹 的探針為近樣品表面時（V50mn丿由于 振蕩的針尖與樣品間作用ijtVan der Waals.毛細表面張力諄兒其振蕩幅 度及相位均會有較大變化，利用這個變 化可以將探針控制在r=5-20nm也 國比較成衿的方案有切変力方式工 束干涉垂直振蕩和超苗共振方 式3”瓠 由北京大學(xué)笈展的超聲共 振式近場光學(xué)顯微鏡提供了一種新勁非 光學(xué)的距離調(diào)控方法特別適合微弱倍 號的近場比譜研究|：，,：.iMWvn ?讒人.A 占孫S 氏.U八八（t ! *! 制 ewe“ f 占網(wǎng)小rI問林 r鼻M圖3近場光學(xué)顯黴復(fù).近場光譜儀的示意:圖4近場光學(xué)顯微

13、鏡的應(yīng)用近場光學(xué)在綱米尺度規(guī)察上起到其 他的掃描隧道顯微鏡凍子力顯微鏡所 不能取代的作用。引發(fā)了近場光學(xué)顯微 鏡在納米尺度光學(xué)成象納米尺度光學(xué) 微加工與光刻光聘與超髙密度磁光 存儲量子器件、納米材料、微腔激光器 的納米局域發(fā)光與光譜生狗樣品的原 位與動態(tài)觀察尋髙分辨光學(xué)觀察中的一 系列研究，近場光刻技術(shù)可以使借息存 儲密度達到10-100Gb/inch-的創(chuàng)高密 度有可能成為下一代的信息存儲方式; 與近場光譜結(jié)合尤其是低溫條件下已 經(jīng)觀察到量子限測條件下半導(dǎo)體fit子 點蜃子線的不同發(fā)光光譜在生命科學(xué) 中的應(yīng)用更是引人注目如單個染色體 的觀家與熒光譜.DNA的排序以及一些 生掬體系的原位.動態(tài)

14、觀察，在近場條件 下還觀察到新的物理現(xiàn)象如激光誘導(dǎo) 的近場力相互作用:皿沒有近場光學(xué)顯 微鏡的發(fā)展這些成果層不可能取得的.在這個領(lǐng)域中更令人感興趣的足近 場光學(xué)技術(shù)與近場比譜及時間分辨的熒 光譜，人們不但能夠分粋單-的分子并 且能得到單一分了發(fā)岀的熒）1譜及其隨 時間的動態(tài)變化九応與超快脈沖激光 結(jié)合人們還可得到納米尺度空間（10 米飛秒尺度時間（0；秒）相結(jié)合的 介觀體系信息.然而由于不同領(lǐng)域研究需求的差 別和技術(shù)上的準度冃筋商品化的掃描 近場光學(xué)顯微鏡還很少而專用于特殊 環(huán)境的近場光學(xué)顯微鏡如真空、低溫. 磁場、液體中的研究還停田在實驗室自 行研制階段.我國的近場光學(xué)研究正在 起步t 19

15、96年9月由中國高等科學(xué)技術(shù) 中心可開的全國首屆近場光學(xué)研討會將 推動我國這-新型交叉學(xué)科的發(fā)展，5參考文獻1 Binnig G、and Rohrer H Scanning lunncling mKrocopy!、hy$ Acta1982.55.7262 Oung U yPohl.D. W. tRobncr.F. Nearfield optical scanning microscopy. Journal of Applied FAvjro. 19K6t59.no. 10.3S183 Synge E H A suggested method （or *x tending （he rtbolut

16、ion inco ibe ul（ra-Mi- croscopic Region rhiL Mag. 1928 6-3564 Ash.E. A. Nicholls-G. .Super-restotution Aperture Scanning Microope Nature 1972.237.5105 Fischer U* Ch. -Zingsheim HP Suhni- croscopic contact imaging with visible light by energy transfer Appl、Phy$. / /. 19R2.40. wu. ?： lieuig. E i Tr-iu

17、fnwn. J K j HarrK 1 D. : Weiner J. S. ： Koiifehk R. L. Bn nk ing hc dilfractiun barrier： opt Kai microscopy on a nnAmcf ru scale 5 fence 1991.251 .no. MXKM4687 Brnig. E. t Traurmpan J. K. . Ncar-tield optics： mnroscopy Spectrueupv. and surface moddii機觸皿 beyond the diffm tion limit. Sctenee 1992* 257

18、* nv. 5U67% 1898 Bctzjg E. : Trautman J K. t Wolk- R.： Gyorgv* E M. Finn. P. L. Krydvr, M. H. t Chang. C. H. . Neay4icld magriHD upfir and high density dacld scanmng optical micros op Y. Science. 1993.262. wo. R1 玄. 142210 Xk X. Sunney:DunnRobe C. Probing single molecule dynamics1991. 265.36111 Zenh

19、ausern F. : Manin Y. i Wickramn sinRhc H K Scanning inti rfcromcinc aperturclexs microscopy ：optical mxgg j( 10 angstrom rcsolmion 5?. 66113朱尾納米尺度的光學(xué)成象與納米光謂 I物理嘰1996.25卷飛冃號.45814 X. Zhu.G. S- Huang.H. T. Zbou-Y,.Y. Ling and 乙乙 Gun. UltrasonK regulated near-field scanning opucal microscope and laser induced ne