带纳米金属棒PSTM孔径光纤探针成像的数值模拟

　　0　引　言

　　光子扫描隧道显微镜(PSTM)能在保持生物样品活性的同时获得纳米尺度样品的表面形貌和光学信息[1]。PSTM在生物,医学研究中都有应用。近年来随着探针的改进,扫描成像的质量有了较大改进。2001年,H.Nakamura[2]等研究了镀膜孔径光纤探针的场传输过程,并对锥角大小和锥变区域长度对探针性能的影响进行了讨论。同年,T.Kalk-brenner[3]等制备出带金属颗粒的光纤探针。作为改进,董亮等[4]在2008年提出了一种裸光纤探针外

　　镀纳米结构薄膜的新型探针。由于金属镀膜或者金属纳米颗粒的近场增强作用使上述探针与裸光纤探针相比,灵敏度、分辨率都有较大提高。由于成像质量对探针尖端颗粒分布均匀性要求较高,使得其对制造工艺要求较高。

　　为精确控制探针尖端形状,2007年Taminiau[5]等利用聚焦粒子束的方法在传统的镀膜光纤探针孔径旁附着一个纳米金属棒,并对其近场分布特性进行了研究,提出了1/4波长光学共振天线的概念。通过光纤的入射光产生一个局部隐失光激励源,单分子荧光检测可知其光斑的半高线宽低于30nm。本文将这种探针作为单纯的信号接收装置,利用其尖端场分布高度局域化及共振增强特性对其作为PSTM探针进行了模拟,分别讨论了纳米金属棒长度,孔径大小,镀膜厚度及扫描高度对成像的影响,从而为实验提供了参考。

　　1　数值模拟模型

　　PSTM计算模型如图1所示,入射波用等效入射波法将截面上方的的隐失波作为激励[6],入射波为p极化波,入射角度为45°,波长为633nm。样品,玻璃纤芯的介电常数均为1.5,铝的介电常数为-56+20.7i[10]。入射波用等效入射波法将截面上方的的隐失波作为激励[6],入射波为p极化波,入射角度为45°,波长为633nm,样品,玻璃纤芯的介电常数均为1.5,铝的介电常数为-56+20.7i[10]。探针直径为200nm,尖端锥角为90°,长度为100nm。孔径及镀膜厚度均为50nm。纳米尖长度为60nm,直径为30nm圆柱尖端为半球形。网格为10nm×10nm×10nm。

　　探针在样品上方作等高扫描,测试光纤内距尖端1000 nm处的玻印亭矢量S = E×H,剪除无样品时的基本测试结果,给出对比度图像结果,从而获得样品的形貌和光学信息图像。本文使用时域有限差分法[7,8]对成像进行了模拟,计算区域内的金属散射体采用递归卷积法[9]按照Drude色散模型进行处理。程序为自行编制并应用完全匹配层(UPML)[9]作为边界条件的三维程序。使用的计算机为Pentium(R)4,CPU为2.4GHz,内存为1G。计算一个点的时间约为45min。

　　2　模拟结果与分析

　　等高扫描的样品为20nm×20nm×20nm的小样品,探针尖端距样品10nm。扫描结果如2所示。从图中用可以看出当探针经过样品时,由于样品的散射,使得探针测试到的能量增加,显示了样品的存在。图中显示这种探针的分辨率优于0.087λ,与纳米金属棒的直径相近。