近场扫描光学显微镜中的一种新型距离控制方法研究

　　近年来随着非光学切向力检测方法的提出,近场扫描光学显微镜得到了迅速发展.在近场扫描光学显微镜中,为了提高图象的对比度,通常采用金属包皮纤维探针,保证有效光发射.为了获得高的空间分辨率,则必须利用切向力距离调节系统,保证探针和样品处于近场距离(约10 nm).因此,纤维光纤探针的制造技术和近场距离控制技术是所有近场扫描光学显微镜制造中的两个关键技术.

　　为了检测切向力,通常需使纤维光纤探针谐振在固有频率上.当探针接近样品时,由于探针和样品间的切向力相互作用,则使振幅衰减.通过锁定放大器检测这种衰减,再通过反馈回路的反馈控制作用就可以使探针和样品间处于近场距离.过去,在大多数近场扫描光学显微镜中,探针接近样品时振幅衰减是使用光学方法测量的:将一束激光聚焦到探针上,然后测量杂散光(透射光或反射光)[1].由于杂散光受振荡频率的调制,它包含我们所需要的信息,故将其用作反馈信号进行距离控制或用于用干涉仪测量探针的振动.故而,这就需要附加的光源检测切向力信号,由此起码存在两个局限性:首先,需要有一个调节过程来产生足够的切向力信号;其次,当检测弱光或系统不便于放置附加光源和检测器时,光学方法检测切向力就难于实现.

　　解决这个问题的办法就是采用非光学切向力检测法,它包括:隧道距离控制法、高频压电陶瓷阻抗测量法、调谐叉结构法[2]、高频压电陶瓷管法[3,4]等.其中第1种方法需要导电样品,第2种方法信噪比低,第3种方法不方便,第4种方法检测灵敏度尚需提高.我们提出的近场距离控制新方法与上述方法相比具有两个优点:检测灵敏度高和易于安装在现有的近场扫描光学仪器上.

　　1　新的近场距离控制方法和工作原理

　　为了进一步提高切向力信号的检测灵敏度,我们采用双压电片作为振荡器兼作检测器,其结构如图1所示.双压电片表面的中间为条形绝缘区,它把双压电片表面分为左右两部分:一部分接激励信号,使之产生横向振动,一部分用来检测振荡所产生的感应信号,将光纤探针固定于双压电片条形绝缘区上.对于双压电片,当加上激励信号时,由于压电效应,它在横向上产生振动,从而带动光纤探针一起振动,因此光纤探针的振动可被认为是受迫振动,其振动幅度与激励信号频率、大小及探针的固有频率有关.当激励信号频率等于探针的固有振荡频率时,探针发生谐振,振幅最大.通常,为了减小激励信号的幅度,激励频率应等于探针的固有频率,使其处于谐振状态.

　　在探针接近样品表面的过程中,当探针进入近场距离范围时,探针和样品之间发生相互作用,产生切向作用力.在切向力的阻尼作用下,探针的振动为阻尼受迫振动,探针振荡幅度迅速减小.通过锁定放大器检测这种振幅变化,经反馈控制电路后通过计算机进行A/D采样,再去控制接近装置使其停止工作,从而使探针和样品之间处于近场范围.接近过程完成后,在三维压电陶瓷扫描管上加上扫描电压,就可对样品表面进行扫描.在扫描过程中,由于样品形貌的起伏,检测信号发生变化,通过锁定放大器放大和反馈环路控制,保持探针与样品距离始终处于近场范围.用计算机对Z向变化信号进行实时采集,则可获得扫描力显微像(SFM);而通过光学系统,对透射光进行收集放大,则可得到近场扫描光学像(NSOM).