SNOM的光纤探针制备及扫描电镜观察

　　扫描近场光学显微镜(SNOM)是一种新型超高分辨率光学显微镜。它既具有光学显微镜可在自然状态下观察样品,获得物体的光学信息,且对样品无任何损伤的优点,又由于采用了近场光学探测原理及技术,使得分辨率不受衍射极限的限制,从而实现光学显微镜的超高分辨率。目前,已报道的最好的近场光学显微镜的分辨率已达10nm。因此,近场光学显微镜将成为纳米尺度的物质微观结构研究的有力工具,已引起物理、化学、生物学、医学及材料科学的极大重视,有望获得重要应用。

　　光纤探针是影响近场光学显微镜分辨率的一个很重要的因素。因此,制备性能优良的光纤探针是实验技术中很关键的一个问题。

　　光纤探针的制备

　　为了获得高分辨率,必须尽量减小探针最尖端的直径,同时又要兼顾接受信号的信噪比问题。对光纤探针的要求是要均匀变细,尽量减少光在其中传播的衰减。为防止光从光纤侧面泄漏,须在侧面镀上一层铝或银。

　　选择通讯用的单模光纤。它由芯层、包层及护套组成。对单模光纤要求芯层要尽可能细。实验中采用的单模光纤的芯层为1.2μm。选择单模光纤是因为它只传导HE11模,而HE11模的一个特点就是不存在截止半径。而在SNOM中使用的光纤探针尖端的曲率半径比波长小,故从极细光纤探针尖端传出来的光只能是HE11模。若使用多模光纤,由于在传播中存在其他模式的波,模式之间的耦合会产生附加噪声,对探测不利,故不宜采用。

　　光纤探针的制作方法有化学腐蚀法和熔断拉伸法。我们曾采用过拉伸法、静置腐蚀法和提升腐蚀法等制作光纤。通过扫描电镜观察发现,拉伸法存在钝化问题,静置腐蚀法易产生坑凹,提升腐蚀法则有较大人为因素影响。为此,我们又发明了一种加热滴漏化学腐蚀法。该方法具有操作简便,成本低,且实验结果重复性好等特点。采用该法,可制成形状较好,直径小于100nm的光纤探针。图1为滴漏加热化学腐蚀法装置示意图。

　　实验时用刀片将光纤护套剥去。腐蚀液用一定浓度的HF和NH4F配制而成。光纤腐蚀的化学反应式如下:

　　光纤探针的扫描电镜观察

　　实验结果表明腐蚀液的配比、加热温度、腐蚀时间(即滴漏时间)等因素直接影响光纤探针的形状锥度及尖端的曲率半径。通过扫描电镜检测,可找到最佳实验条件,以获得可用的针尖。

　　较佳的实验条件为:

　　(1)腐蚀液配比:HF(42%,3ml)+H2O(3ml)+NH4F(95%,2～3g)

　　(2)光纤插入腐蚀液深度:2～3mm

　　(3)加热温度:70℃～90℃

　　(4)滴漏速度为(40～60)滴/分