近場光學(xué)顯微技術(shù)原理及應(yīng)用

掃描近場光學(xué)顯微技術(shù)

原理及應(yīng)用

(ScanningNear-fieldOpticalMicroscopy,SNOM)本章主要內(nèi)容：

0.傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡概述1.近場光學(xué)及近場光學(xué)顯微鏡概念2.近場光學(xué)理論3.近場光學(xué)顯微鏡基本結(jié)構(gòu)4.近場光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡概述傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡1、傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)sin

相對光強曲線I/I0艾里斑主極大第一極小傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡－光學(xué)透鏡組成光學(xué)衍射極限

－艾里斑

光源聚光鏡樣品臺顯微鏡筒肉眼2、瑞利判據(jù)剛可分辨不可分辨如一個物點的衍射光斑的主極大與另一個物點的衍射光斑第一極小恰好重合，便認(rèn)為兩個物點的像剛好能被分辨開。3、提高傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率的途徑

1）選擇更短的波長

uv電磁輻射、x

射線、或電子束

2）提高物方n,用折射率很高的材料工作浸油顯微鏡

3)提高數(shù)值孔徑NANA>0.7時,稱大(高)數(shù)值孔徑第一節(jié)

近場光學(xué)及近場光學(xué)顯微鏡概念一、近場的概念近場光（表面波）近場：從物體表面到一個波長以內(nèi)的距離。遠場：從近場以外一直延伸到無窮遠的區(qū)域。二、近場光學(xué)及近場光學(xué)顯微鏡概念1、近場光學(xué)：研究距離物體表面一個波長以內(nèi)光學(xué)現(xiàn)象的新型學(xué)科。2、近場光學(xué)顯微鏡：

用來觀測近場（微觀尺度）光學(xué)現(xiàn)象的新型顯微工具。不用光學(xué)透鏡成像,而用近場光學(xué)探針的針尖在樣品表面上方掃描獲得樣品表面的信息。1、

近場光學(xué)顯微鏡之演進歷史三、近場光學(xué)顯微鏡概述

1928年E.H.Synge第一個提出突破分辨率極限的構(gòu)想。

1）強光源2）nm量級微調(diào)3）nm量級小孔光電池1956年J.A.O’Keefe也提出了一個近場光學(xué)掃描顯微鏡的構(gòu)想。1973年E.A.Ash&G.Nichols在微波條件下，制作出了突破分辨率極限的顯微鏡1982年G.Binning&H.Rohrer第一部掃描隧道顯微鏡（STM）誕生

1984年D.W.Phol等人把近場光學(xué)技術(shù)與STM技術(shù)的結(jié)合，制成了第一臺近場光學(xué)顯微鏡SNOM(scanningnear-fieldopticalmicroscope)。分辨率達到了1/20波長。三、近場光學(xué)顯微鏡概述2、

提高顯微鏡分辨率的歷史概貌0.11101001000傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡場離子顯微鏡近場光學(xué)顯微鏡18001850190019502000分辨率/nm年三、近場光學(xué)顯微鏡概述3、近場光學(xué)顯微鏡的優(yōu)點：樣品不一定必須是導(dǎo)體，也可以是非導(dǎo)體或者溶液；對于樣品環(huán)境要求不是很高，可以是靜態(tài)或動態(tài)。對樣品不造成損害。三、近場光學(xué)顯微鏡概述（a）是美國標(biāo)準(zhǔn)局用原子力顯微鏡檢測直徑為100nm聚乙烯材料的像，分辨率為1nm；（b）采用近場光學(xué)顯微鏡觀測的影像，分辨率為20nm。三、近場光學(xué)顯微鏡概述第二節(jié)近場光學(xué)理論傅立葉光學(xué)的基本思想單色波入射，空間頻率信息會被特定方向的衍射波輸送出來，衍射波在近場彼此交織，到了遠場它們分開，從而達到分頻的目的.遠場分頻裝置是透鏡，衍射斑和圖象的空間頻率一一對應(yīng)，焦面就圖象的傅立葉頻譜面－－現(xiàn)代光學(xué)對夫瑯禾費衍射的新認(rèn)識。yxy’x’F衍射屏光學(xué)圖象透鏡頻譜分析器夫瑯禾費衍射場傅立葉頻譜面頻譜面物面頻譜面高頻信息物面

成像光學(xué)儀器就是一個低通濾波器。物平面包含從低頻到高頻的信息,透鏡口徑限制了高頻信息通過,只許一定的低頻通過,丟失了高頻信息的光束再合成,圖象的細節(jié)變模糊。入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯和費衍射，在頻譜面上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑發(fā)出的球面次波在相面上相干疊加，形成像。FABCB’A’C’一、輻射場和隱失場物體電磁波()近場(

)~<遠場(>)隱失波輻射場：該分量能夠向外傳播。（電磁波）隱失場：該分量局限于物體表面且急劇衰減。（隱失波）其性質(zhì)與物體的表面結(jié)構(gòu)，材料緊密相關(guān)（非輻射場）一、輻射場和隱失場

1、精細結(jié)構(gòu)與空間頻率空間周期-d(光柵常數(shù))空間頻率-

(單位長度內(nèi)光柵條紋數(shù))頻率越高，代表物體或光場的結(jié)構(gòu)越精細。三維情況:空間頻率分量(),電磁場的傳播波矢k與直角坐標(biāo)軸的三個交角為()并且(1)一、輻射場和隱失場

2、傅里葉光學(xué)角譜方法采用傅里葉光學(xué)平面波展開法，原點（x,y,0）得到的角譜

(2)

（3）E(x,y,0)y物場像場xyxzE(x,y,z)由E(x，y，z

）處的光場

（4）

（5）一、輻射場和隱失場

2、傅里葉光學(xué)角譜方法（5）改寫，實數(shù)

2）光柵周期小于波長（d<λ）（5）改寫，實數(shù)一、輻射場和隱失場

3、光柵衍射場和精細結(jié)構(gòu)dyx1/v1/u1)光柵周期大于波長（d>λ）

定義沿著光場振幅衰減到1/e的距離為衰減距離Rd，

（6）直角坐標(biāo)下，輻射場展開可寫為：隱失場的表達式：一、輻射場和隱失場

3、光柵衍射場和精細結(jié)構(gòu)二、隱失場理論

1、隱失場的特征隱失波

(evanescentwave，衰逝波，倏逝波等)尺寸小于波長的信息，包含在隱失場中；隱失場離開物體表面在空間急劇衰減；隱失場是非輻射場或非傳播場。開口直徑微小開口產(chǎn)生的隱失場二、隱失場理論

1、隱失場的特征二、隱失場理論

1、隱失場的近場探測原理1）近場探測的基本原理：將隱失場中的攜帶有物體表面精細結(jié)構(gòu)信息，盡量不失真的帶到位于遠處的探測成像裝置中，再轉(zhuǎn)變成人眼所能夠觀察的圖像信號。二、隱失場理論

2、隱失場的近場探測原理2）兩個光學(xué)窗口的探測問題A.遠場探測E(x,0)的角譜為：Z處角譜為z處的光波場

（7）2L2dxzz=Zz=0緊貼屏后的電磁場El(x,z=0)

為:矩形函數(shù)為的傅里葉變換式為

代入（7）

（8）二、隱失場理論

2、隱失場的近場探測原理2L2dxzz=Zz=0二、隱失場理論

2、隱失場的近場探測原理B.近場探測

z=ε處的光場透過ε屏后的電場為

此時在z=Z處探測到的光場為（9）

2L2dxzz=Zz=02lz=ε根據(jù)（8）和（9）繪制角譜圖狹縫1nm，波長500nm的角譜圖1.01.01.0(a)(b)(c)二、隱失場理論

2、隱失場的近場探測原理ε=λ/50z=0z=Z>λ二、隱失場理論

2、隱失場的近場探測原理改變狹縫的寬度，考察探測成像的效果III二、隱失場理論

2、隱失場的近場探測原理改變單狹縫與雙窗口間距，考察探測效果ε=70nmε=30nmε=10nm

III二、隱失場理論

3、隱失場的近場探測原理探頭準(zhǔn)確地放在物體表面納米尺度而又不碰撞，采用逐點成像的方法：

1）將納米尺度的光信號收集,將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?；再將其傳播到探測系統(tǒng)。2）再將逐點采集的信息掃描成為二維圖像。(1)具有突變邊緣的物體,無論它被傳播波照明還是被隱失波照射,都會產(chǎn)生隱失波；(2)產(chǎn)生的隱失場不服從瑞利判據(jù),它在小于一個波長的距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)強烈的局域振蕩；(3)根據(jù)互易性原理,借助于小的有限物體,可將隱失場轉(zhuǎn)換成新的傳播場并傳播；三、近場光學(xué)基本原理(4)新的傳播場能被遠處的探測器所探測。(5)隱失場—傳播場的轉(zhuǎn)換是線性的:新的傳播場如實地再現(xiàn)隱失場局域的劇烈振蕩特性。(6)為產(chǎn)生二維圖像,我們需用一個小的有限物體(通常采用錐形光纖的針尖)在樣品表面上方掃描。三、近場光學(xué)基本原理第三節(jié)

近場光學(xué)顯微鏡基本結(jié)構(gòu)一、近場光學(xué)顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)(a)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡

(b)近場光學(xué)顯微鏡激光XYZ掃描樣品臺小孔探針顯微鏡筒光電倍增管光源聚光鏡樣品臺顯微鏡筒肉眼近場光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件1、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件：光學(xué)探針探針至樣品間距測控裝置光路1）光學(xué)探針小孔探針：光纖探針和非光纖探針。光纖探針優(yōu)點：首先，分辨率有很大提高。目前最好的分辨率12nm其次，通過探針的光流量得到很大的增強。

二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件光纖探針缺點：首先，光纖抗熱性能差，不能傳輸高功率激光;其次，光纖脆性大，極易因與樣品碰撞而損壞。金屬化的透光探針目前分辨率通常為100nm二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件無孔探針把入射光變?yōu)榫钟蚬庠?。因為沒有了探針窗口尺寸的限制，分辨率極限可達1nm。二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件2）探針與樣品間距的測控：隧穿電流強度測控技術(shù)近場光強度測控技術(shù)

切變力強度測控技術(shù)

接觸型測控技術(shù)

二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件3）光路光源和照明光路：

采用激光單色光源，并通過光纖輸送照射樣品

收集光路和光探測器：

高靈敏度而且可以快速采集信號的光電倍增管。二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件幾種典型光路：圖a,b是透射方式，適用于觀察透光性好的樣品二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件圖c,d反射方式，適用于觀察不透明樣品二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件幾種典型光路：4）近場光學(xué)顯微鏡的配置方式照明模式

(a,b)收集模式

(c,d)照明/收集模式(e)二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件5）近場光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的功能擴展和集成ABDCE二、近場光學(xué)顯微鏡的主要部件第四節(jié)

近場光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用一、超分辨成像

（一）樣品信息成像AgIBr晶體，范圍為7.5μm見方。(a)表面形貌(b)透射SNOM像一、超分辨成像

（一）樣品信息成像一、超分辨成像

（二）單分子成像（利用AFM功能）一、超分辨成像

(三）觀測微小的光場圖像二、在生物分子研究中的應(yīng)用對細胞和細胞精細結(jié)構(gòu)的觀察：SNOM檢測小鼠的肺臟和肝臟切面TransmissionSNOMimageShearforceimage纖維原細胞三、在信息存儲中的應(yīng)用高密度信息存儲CD由于受衍射極限的限制，讀寫斑的尺寸被控制在lum左右；存儲密度約55Mb/cm2

采用近場技術(shù)，讀寫斑的尺寸可以減小到20nm，存儲密度約為125Gb/cm2。三、在信息存儲中的應(yīng)用TheNSOMwasusedtocreatestructuresonaphotoresistsample.Thesmallestlinewrittenwas60nmwide.Naber,A.,H.Kock,etal.(1996).High-ResolutionLithographywithNear-FieldOpticalMicroscopy.?Scanning18:567-571.

四、高分辨率光刻和三維加工五、近場光譜學(xué)近場光譜目前的各類光譜測量方法只限于微米尺度觀察。傳統(tǒng)的光譜方法無法分辨諸如納米尺度的發(fā)光區(qū)域與本征頻譜等。而與近場光學(xué)顯微鏡聯(lián)用的近場光譜則填補了這一空缺。近場光譜，包括紫外-可見光譜，紅外光譜，熒光光譜和拉曼光譜等。五、近場光譜學(xué)——近場光譜儀

光學(xué)探頭

近場光學(xué)光譜五、近場光譜學(xué)——吸收譜量子點樣品的吸收譜和熒光發(fā)射譜五、近場光譜學(xué)——光致發(fā)光（熒光）PL譜

兩個相鄰的單分子熒光光譜150nm五、近場光譜學(xué)——瞬態(tài)（時間分辨）光譜

熒光壽命擬合曲線符合單次冪函數(shù)儀器響應(yīng)函數(shù)Weightedresiduals~2.0ns五、近場光譜學(xué)——拉曼光譜

Stockslinesanti-StockeslinesΔν/cm-1Rayleighscattering五、近場光譜學(xué)——拉曼光譜Ramanscatterin