一种纳米分辨率近场光学显微镜——光子扫描隧道显微镜

　　光学显微镜使用方便,图像解释简单明了,对试样无损伤,可观察物质的自然状态,通过光谱技术还能研究其化学组成等,因而应用范围极广。但其分辨率受光波半波长的衍射限制,约0.2～0.5μm。现代半导体集成电路的线宽已小到十分之几微米,细胞生物学等领域也需要更高的分辨率。

　　1928年E.H.Synge提出了一种可以克服(远场)衍射极限的方法:用一个直径比波长小很多的小孔光阑作光源并使其离试样的距离也小于一个波长,则成像的分辨率将受小孔尺寸的限制[1]。由于技术上的困难,直到1982年发明了扫描隧道显微镜STM,这种近场光学显微镜才可能实现。1989年R.C.Reddick等[2]制成光子扫描隧道显微镜PSTM,其机理与STM相似,分辨率优于光波半波长值。而且可以利用光学显微镜成熟的多种成像机制和方法研究观察大气条件下的透明体等一般电子显微镜和扫描隧道显微镜难以解决的课题,引起世人瞩目。本文报告我们实验室所发展的近场光学显微镜——光子扫描隧道显微镜及一些应用研究结果。

　　原　　理

　　当激光束以大于临界角θc的角度射入一直角光学棱镜时,在试样的上表面形成内全反射。用极细的光纤探针探测内全反射光隧穿到试样表面另一侧所形成的隐失场(近场),便可获得试样表面的信息(图1,2)[2-4]。内全反射方程及以指数衰减的隐失场强度I可以表示为Z,n和θ的函数:

　　其中n—试样的折射率;θ—入射角;Z—探针离试样表面的距离,即光子隧道间距;K—常数;λ—入射光的波长。

　　当PSTM像ΔH(x,y)可表示为:

　　这里,Z0—试样厚度,ΔZ0(x,y)和ΔZ(x,y)分别是试样表面形貌图像和光子隧道间距z的变化量。当以等强度方式成像时,I(Z,n,θ)等于一预置值,则Z=Z(n,θ),ΔZ(x,y)可表示为:

　　这时,PSTM像包含三个分量:

　　1)对于只有折射率变化的平面试样,ΔZ0(x,y)～0,Δθ(x,y)～0,则ΔH(x,y)反映试样折射率变化Δn(x,y)的图像:

　　2)如果试样只有高度变化,而折射率是均匀的,即Δn(x,y)～0.则:

　　只有当Δθ(x,y)或δZ/δθ足够小,且Δn(x,y)～0,例如对于均匀的超光滑玻璃表面,有:

　　这时PSTM反映的是表面形貌像。

　　仪器综述

　　这台光子扫描隧道显微镜PSTM是在我国自制的第一台扫描隧道显微镜基础上发展而成的[5]。结构如图2,3所示。固定在压电陶瓷管P上的光纤探针T在纵向电压的作用下发生伸缩,微调与试样S之间的距离,将探测到的隐失场传输到光电倍增管PMT,再经前置电路等输到计算机图像处理系统。探针T作X,Y横向扫描便可获得反映试样表面及内部结构的图像。压电陶瓷管直径为6.35mm,长25mm,壁厚0.51mm。最大扫描范围为10μm×10μm。试样S固定在棱镜G上。移动粗、细调螺杆Mc和Mf使厚度不同的不锈钢弹簧片Bc和Bf前后移动并发生形变。Mc和Mf—起移动时,粗调范围可大于10mm;单独移动Bf时细调灵敏度约10nm。PSTM关键部件之一的光纤探针用单模或多模石英光纤在氟氢酸中腐蚀而成。我们试用了多种光纤探针,发现多模光纤探针信号输出大,但本底高,信噪比小;单模光纤探针探测信号输出小,但本底相对更小,相应信噪比增大。由单板机控制步进马达使光纤在酸池中作周期运动,可制成不同形状和立体角的尖端,其曲率半径可小到100nm[6]。每批可制造50个光纤尖。但质量离散性较大,与制造STM针尖时的情况类似。这还有待进一步研究。