光子扫描隧道显微镜研究

　　一引言

        扫描探针显微技术是表面探测技术领域近十年迅猛发展起来的一个庞大家族，从扫描隧道显微镜(s下M)，原子力显微镜(AFM)到磁力显微镜(MFM)，激光力显微镜(LFM)等等，　　其成员已多达30多个，且还在增长之中。由于其极高的横向分辨率和灵活性，它们在金属材料、半导体技术、生命科学、电化学等众多领域找到了广阔的应用前景.以前很难检测或无　　法检测的东西，现在其检测已成为可能。在扫描探针显微技术这个家族中，资格最老的当数1982年B刚8发明的s了M，其他的成员都是从它发展演化而来。本文所报道的光子扫描隧　　道显微镜(Ps了M)就可看作是STM的光学实现〔‘〕，即用光子代替了电子来进行扫描隧道检测。与其他成员略为不同的是，PsTM还有另外一个独立的发展来源，即近场光学显徽，因为PSTM也可算是一种近场光学显微镜。PSTM，由于它大大突破了传统衍射极限的限制，不存在与工作波长相关的色差，与SIM相比，不要求样品具有导电性，且对祥品的光学特性特别敏感等特点，在某些领域越来越受到人们的重视.我们从1991年下半年开始着手Pgn随的设计研制工作必3〕，本文报道了我们在PSTM研究方面所取得的一些进展.

　　二、理论

　　一般，人们对PsTM的理解类比于sTM。在sTM中，隧道电流随探针、样品间隙增加呈指数迅速衰减，这样隧道电流主要来源于针尖顶部的单个原子，所以sTM可以达到原子t　　级的横向分辨率。在PsTM中，如图l所示，光束在玻璃一空气界面发生全反射，在空气一侧没有光线出射。但如果把另一介质(此处为一根腐蚀得很尖的石英光纤探针)放置得离全反射介面很近，约入/2以内，则有光线祸合出来，这种现象首先为牛顿所发现，称为受挫全反射。这种光子的隧道效应是光子的波动性的表现。用菲涅尔公式可计算出，祸合出来的光强，　　即光子隧道贯穿几率，随探针到全反射表面的距离也是呈指数衰减:

　　三、实验装置与实验结果

　　我们设计的PSTM的结构如图2所示，除光学系统外，它采用了一个典型的STM的结构

　　激光器为10mwHe一Ne激光器，入=632.Slun。光纤探针采用多模石英光纤，经钓%浓度的HF酸在一定条件下腐蚀制得[3〕。　图3为PsTM纵向特性曲线，即信号光强随探针样品间隙变化特性。测量时，给扫描加上峰峰值为235v的三角波纵向扫描电压。当电压升高时，探针通近表面，探针样品间隙Z减小。压电陶磁管的伸缩率由干涉测得约0012入/v。

　　从图中可看出，光信号在△v=5Ov内，(对应入/2强Z向移动)，从背景噪声电平极快地上升到峰值。图4是根据式(l)计算出的理论曲线.比较图4，图5可见，实测曲线与理论曲　线一样，也表现出较好的指数衰减规律.此时的纵向分辨率只受噪声的影响，约在入/100数最级.我们于1992年10月报道了这一结果，它是国内有关P盯M的最早研究报道即.(中国无线电电子学文摘，1993，vo1.9，No.5，文摘号9305012)图5是二维驻波光场的飞TN扫描图像。驻波光场是把出射的激光束再反射回来，在全反射表面形成的二维干涉光场。明暗条纹间距为入/2.