敲击模式扫描近场光学显微镜

扫描近场光学显微镜(scanning near-fieldoptical microscopy, SNOM)[1]是继扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)之后逐步发展起来的又一高分辨率扫描探针技术。它不仅可以提供样品的高分辨率形貌图像,而且可以探测样品超衍射极限的光学信息,这是STM和AFM所不可比拟的,因而在材料学、生物学以及高密度信息存储等领域有着广泛的、不可替代的应用前景。随着SNOM在科学研究中应用领域的不断扩展,这项新兴的探测手段也在逐步完善。

通常的近场光学显微镜大多采用剪切力控距方式实现近场探测[2～6]。其优点是:结构紧凑,操作方便,不会引入传统光学反馈中的背景光学噪声。缺点是:为了保证音叉—探针这个不对称体系有足够的品质因数Q, (Q=f/Δf),探针针尖露出音叉顶端的部分不能太长,因此这种方式很难用于探测液体环境下的样品,如生物样品。

敲击模式,类似于AFM的敲击模式探测方式,采用石英音叉作为灵敏器件,光纤针尖的振动方向垂直于样品表面,因而不仅保留了剪切力模式的优点,而且具有较高的力学梯度,对针尖—样品距离的控制更加可靠,分辨率更高;并且它还克服了剪切力控距方式的不足,可用于探测液体环境下的样品。另外在探测样品形貌的同时实现对光信号的调制,可提高采样速率。

本文介绍了利用石英音叉实现敲击模式的探测方式的结构原理,并通过对2 400线/mm光栅,光盘母盘以及凋亡的MGC-803细胞进行形貌图像的探测,证实了它的应用效果。利用敲击模式扫描近场光学显微镜进行样品探测。

1　装置介绍

利用Tsai等人的方法[7],将光纤探针粘接在音叉的顶部(见图1)。采用PZT-5A系列的双压电晶片(购自中国科学院声学研究所)作为激励源,其大小为6 mm×6 mm×0.6 mm;磁铁(购自中国科学院物理研究所三环公司)的直径为5 mm,厚度为0.5 mm;用氰基丙烯酸酯(CyanoacrylateAdhesive,即502胶),将两者粘接在一起。石英音叉(32.768 kHz, 3.5 mm×0.33 mm×0.6 mm)为商品,其品质因数可达215。

2　分析与讨论

由于图1所示的装置是不对称结构,当双压电晶片受到电压激励时,音叉两个电极之间会产生电压差,共振频率的位置也会有所偏移,品质因数下降(图2中实线)。将光纤探针粘接在音叉顶部后,会进一步加剧系统的不对称,该系统的品质因数还会有所降低(图2中虚线)。品质因子Q通常在150～800之间,可以满足实验需要。图3为探针逼近样品过程中音叉两电极间电压差的幅度随探针—样品间距的变化,即探针的逼近曲线,选择探针接触到样品后电压幅度最小处为探针—样品间距的零点,如果定义最大电压幅度的10%～90%为敲击模式作用范围,这一范围大约为19.2 nm。由于探针的逼近曲线很陡,保证了探测过程的灵敏度。