使用自激振荡法提高原子力光子扫描隧道组合显微镜的扫描速度

　　1　引　言

　　理论上传统光学显微镜的衍射极限是200~300 nm,扫描近场光学显微镜(SNOM)打破了这个限制,它的分辨率主要取决于探针的孔径以及探针与样品表面的间距[1-3]。由于SNOM适合检测透明样品尤其是生物样品,所以近20年来这种技术发展迅速,多种不同类型的SNOM相继面世,光子扫描隧道显微镜(PSTM)[4-6]就是其中的一种。PSTM的成像原理仿照电子扫描隧道显微镜(STM),当平行光束由密介质射向密/疏介质面,在入射角大于或等于全内反射临界角条件下,该界面疏介质一边近场产生一个隐失波。光纤探针进入样品表面隐失波区域时,产生局域“全内反射受抑”,光纤探针收集样品表面的隐失场信息。

　　SNOM通常与一个辅助的非光学探针/样品间距探测显微镜相组合,这种辅助装置或者基于隧道电流信号[1],或者使用机械系统[7-8]。辅助装置的主要功能是控制探针处于样品的近场范围内,同时它还可以给出样品的形貌信息,拓展了SNOM的功能。本文研制的PSTM与原子力显微镜(AFM)组合,能够同时获得样品的原子力、折射率与透过率图像,通过对称照明的方法解决了早期的光子扫描隧道显微镜中存在假像的问题[9]。但早期的AF/PSTM样机采用外加激励模式控制探针/样品间距,受到外力后,样机调整探针/样品间距迫使探针与外加激励信号状态相同。这种方法探针响应速度较慢,制约了AF/PSTM扫描速度的提高,一般对样品采样点进行成像需用时10 min左右,显然不适合对样品进行实时检测。而且较长的扫描时间对测试环境提出了很高的要求,即需要设计专门的测试环境控制系统,使得试验复杂化,增加了成本。如果采用更高Q值的探针来提高仪器分辨率还会进一步限制仪器的扫描带宽,仪器的分辨率每提高一倍,相应系统响应时间延长4倍[10-11]。

　　本文介绍了对AF/PSTM原型机控制系统所做的改进。新的设计方案使探针工作在自激振荡状态,通过检测它的频率来控制样品/探针间距。采用这种方法后,探针的响应速度已不再是制约AF/PSTM提高扫描速度的主要因素,整个系统的扫描速度得到了提高,而且采用更高Q值探针提高AF/PSTM的分辨率也不会影响系统速度。

　　2　AF/PSTM光纤探针

　　AF/PSTM的探测装置是一个弯曲的双功能光纤探针,此光纤探针的制备使用常规光通信光纤。光纤探针的制作主要有热拉伸和化学腐蚀两种方法[12-13]。由于探针端头的直径决定了分辨率,因而针尖尺度必须足够小,同时光纤探针轮廓角越大通光效率越好,灵敏度越高[14-15]。综合考虑这两方面的要求,光纤探针的制备采用先将光纤热拉伸弯曲成型,再对已经弯曲的光纤探针尖端进行静态,动态两步化学腐蚀,最后在真空中蒸镀铝膜的方法。得到的探针如图1所示,其尖端直径低于100 nm,轮廓角为60~90°。