一种基于剪切力的距离控制方法在扫描近场光学显微镜中的应用

　　1　引　　言

　　扫描近场光学显微镜(SNOM)是用来探测与样品表面相距小于光波长范围的近场信息的有力工具,靠一个亚波长的光学接收器(通常是顶端直径为几 十nm的光纤探针)在靠近样品表面亚波长尺度(0-50nm)的范围内,同时接受物体辐射的传导分量和非辐射分量,从而突破衍射极限,获得物体表面高分辨 的结构信息[2]。为了得到高分辨率图像,关键问题是针尖与样品间的距离控制[1]。该控制机制用来控制光学探针进入几十纳米的近场范围,并保持探针与样 品表面的距离。

　　最为常用的探针高度控制方法是利用剪切力[3]。当以本振频率振动的针尖靠近样品表面时(<50nm),由于剪切力的影响使针尖的振动振 幅和相位产生明显的变化,可以利用光学和非光学的检测方法检测出这种变化。光学方法会造成激光衍射,由于探测到的近场光的强度很低,一般都在nW量级,检 测激光容易增加信号的背景噪声[2],且整套仪器设备庞大,更换针尖时需对整套光路系统重新调试。为了克服这些缺点,非光学的检测方法逐渐发展起来,大体 上主要采用以下几种方法:(1)利用隧道电流来控制针尖与样品的间距:实际上是将SNOM和STM结合起来,它的主要缺点是必须用导电的样品和导电探针, 这在很大程度上限制了使用范围[4]。(2)超声共振式:将光纤粘在石英晶体振荡器的音叉的一个臂上,激励信号加在石英晶体上,当激励信号的频率与石英晶 体一致时,石英振子的阻抗最低,晶体的探针的振幅最大,当探针靠近样品时,由于受到剪切力的影响振幅减小,同时石英振子的阻抗增大。因而可以通过检测石英 晶体上流过的电流来控制探针高度。用这种方法可以获得分辨率较高的图像[2]。由于石英晶体振荡器结构原因,将光纤针尖粘在石英晶体振荡器上十分困难,同 时由于振荡频率不太高,扫描速率必须很低,即在图像采集时延时必须很长。(3)压电式:采用四象限的压电陶瓷管,一象限用于激励,其余三象限用于检测,针 尖粘在压电陶瓷管的内部。这种振动方式下,针尖的振动有明显的共振峰。激励信号设定为探针共振峰值处的频率,利用锁相检测出振幅的变化[5]。根据实验室 现有的装置和设备,结合国内外的一些研究成果,我们研制了一种用压电陶瓷片作为振幅检测基于剪切力的距离控制装置,利用此种方法可以将探针的高度控制在近 场区内。

　　2　实　　验

　　2.1　实验装置

　　本文所采用的实验装置是在实验室原有的PSTM结构上加以改造而成的,原理图如图1(a)所示。扫描方式采用典型的单管扫描方式,针尖X、Y、 Z三个方向的运动均由一个扫描管控制。仪器的粗调部分是由探头的上盖上均匀分布的3个精密螺杆来实现的,两片压电陶瓷片的光纤探针固定在压电陶瓷扫描管端 部,采用两片压电陶瓷片,其中一圆片(厚度约为1mm),用于激励,沿着该片的径向方向粘有另一片压电陶瓷片(厚度约为0.3mm),用于检测探针的振 动,见图1(b)。在检测片上粘有光纤探针。为了检测探针的样品表面的位置和探针和样品间的距离,引进了CCD摄像头,CCD的照明光源置于仪器上盖内 [6]。