聚焦离子束在光纤探针制备技术中的应用

　　近场光学显微镜(scanning near-field opticalmicroscope, SNOM),突破了经典(或远场)光学显微镜理论分辨率的阿贝衍射极限,具有纳米级分辨率和无接触、无破坏等特点,已广泛应用于生命科学、凝聚态物理、化学、材料科学及信息产业等领域[1]。在近场光学显微镜中,光学探针是最核心的部件之一,而光纤探针在SNOM中应用得最为广泛。光纤探针针尖的几何形状和通光效率在很大程度上决定了近场光学显微系统的性能,小孔尺寸和锥角大小是其最主要的参数。小孔尺寸是指探针最尖端孔径的大小,它决定了系统的光学分辨本领,其尺寸必须小于所用光的半波长[2];锥角决定了探针锥形波导从截止面到尖端的距离,探针的锥角越大,通光效率越高[3,4]。

　　目前典型的光纤探针制备方法主要有熔拉法和化学腐蚀法[5,6]。熔拉法制备的探针针尖锥角较小,渐变区较长,导致损耗增加而光透过率较低[7]。化学腐蚀法虽然在近年不断改良,也衍生出许多新方法如:微管腐蚀法、动态腐蚀法及变温腐蚀法等,在一定程度上可以提高探针的表面质量及获得较大的锥角,但无法从根本上解决表面光洁度和锥角的精确控制问题[8~10]。

　　近年来,聚焦离子束(focused ion beam,FIB)技术开始应用于光纤探针的制备,可以实现针尖锥角大小和尖端小孔形状的精确控制,制备出大锥角兼具高表面光洁度的光纤探针;对探针表面进行特定形貌的刻蚀,增强了光纤探针的通光效率,具有广阔的应用前景。

　　1　聚焦离子束系统工作原理

　　聚焦离子束系统是用聚焦离子束代替扫描电镜(SEM)或透射电镜(TEM)中所用的质量很小的电子作为光源的显微分析加工系统。图1给出了聚焦离子束系统的结构示意图。在离子柱顶端的液态离子源上加一强电场来抽取带正电荷的离子,通过位于柱体中的静电透镜、可控的四极、八极偏转装置,将离子束聚焦并在样品上扫描,收集离子束轰击样品产生的二次电子和二次离子,获得聚焦离子束显微图像。为避免离子束受周围气体分子的影响,金属腔体和离子泵系统保证离子柱在高真空条件下(10-5~10-7Pa)工作。样品室中装有一个五维可调样品架,用于对样品进行多方位的分析加工[11]。

　　在聚焦离子束加工系统中,来自离子源的离子束经过加速、质量分析、整形等处理后,聚焦在样品表面,离子束斑最小直径目前已可达几纳米。其加工方式为将高能离子束聚焦在样品表面逐点轰击,可通过计算机控制束扫描器和消隐组件来加工特定的图案[11]。

　　聚焦离子束系统集微纳米尺度刻蚀、注入、沉积、材料改性和半导体加工等功能于一体,在纳米科技领域起到越来越重要的作用[13]。其基本功能可以概括为以下四种:离子束成像;离子束刻蚀;离子束镀膜;离子注入等[11]。