用扫描近场光学显微镜观察微畴

　　通常铁电单晶包含了许多畴,在每一单畴中有均匀的自发极化,畴与畴之间为畴壁。对畴的观察可采用偏振光显微镜,化学腐蚀法[1],胶体修饰法,X线反常色散[2],扫描力显微镜(SFM)[3]和透射显微镜(TEM)等。原则上SFM可获得nm级的分辨率,但是,由于静电力的长程作用特性限制了SFM的分辨率和动态观察能力。TEM可以获得原子级的分辨率,但其制样过程太复杂且破坏样品。受光学衍射制约,传统的光学方法的空间分辨率被限制在光波的半波长尺度上。近年来发展起来的扫描近场光学显微镜[4],采用亚波长尺度的孔径在非常接近样品的样品表面进行扫描,获得远小于光波长的空间分辨率(10~100nm),从而突破了衍射极限。本文利用电畴的双折射随电畴的自发极化的取向而异的特性,采用光纤探针导入的偏振光照明,接收样品反射光,即反射式扫描近场光学显微镜,观察了铁电单晶的畴结构和铝酸镧晶体的孪晶畴。空间分辨率约50nm。对原有的TopometrixAurora NSOM系统作了较大的改进。采用音叉(tuning fork)检测光纤探针与样品间的剪切力取代了原有的光学法振动检测。在检测电路方面也做了相应的变化,大大改善了操作灵活性。

　　实　　验

　　A.实验装置

　　我们的测量工作是在改造后的TopometrixAurora NSOM系统进行的,可同时测量形貌和光学近场图像。偏振光耦合到光纤探针尖部出射,经样品表面反射后用物镜接收再由光电倍增管接收。用Ar离子激光器作为光源。

　　原系统采用光学法测量探针振动,检测探针与样品间的剪切力来控制探针与样品的间距。光线照射在探针上经样品表面反射到达位置探测器。这种结构给调整和使用带来了很大困难。它要求样品较大且表面反射率高,NSOM探头安装到支撑座后才能进行调光,且探针高度调整时也影响反射光点位置,给调整位置传感器带来困难。另外用于探针振动检测的光源会耦合到NSOM信号中,对近场光测量有干扰。因此我们采用音叉共振技术取代了原有的光学检测方法。原理图见图1。将光纤探针粘在音叉的一个臂上,激励信号经振动管作用于音叉,在共振频率附近可测

得如图2所示的振幅与频率关系以及位相和频率关系。依据位相与频率关系选择适当的工作频率。通常音叉探针的Q值在200~1000之间,探针振幅约0·4nm。用音叉共振法可以获得较好的灵敏度。这种方法的主要优点是在NSOM探头放到支撑座前就能调整好探针的振动状态,将探针趋近样品时不会影响探针振动,也去掉了探针振动检测光源的干扰,大大方便了近场探测。为适应音叉振动检测,在紧靠音叉部位安装信号放大器,使音叉探测到的信号经增强后再传出NSOM探头,接入原有的信号输入接口,提高了信噪比。由于音叉的Q值极高,因而对激励信号源的频率分辨率和稳定性要求很高,原系统的信号源不适用。我们采用直接信号合成技术,获得了等同于石英晶振器的激励信号频率稳定度和32位的频率分辨率,解决了信号源问题以及相关软件问题。