基于双压电陶瓷片的反射模式近场扫描光学显微镜

　　扫描近场光学显微镜(scanning near-field opticalmicroscope,SNOM)或近场扫描光学显微镜(near-fieldscanning optical microscope,NSOM)是扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)大家族中的一个重要成员。它突破了传统光学显微镜的衍射分辨极限,能够在介观和纳米尺度上收集材料表面的光学信息,在材料、物理及生物等方面有着广阔的应用前景[1,2]。

　　达到超衍射极限光学分辨率的关键条件之一就是实现光纤探针和样品间距的纳米级控制[3]。目前流行的方法是利用非光学方法探测光纤探针针尖与样品之间的剪切力来实现这种控制。其主要原理是:将光纤探针固定在某种机械振子上,以振子的谐振频率激励探针平行于样品表面振动。当探针非常接近样品时,探针与样品表面之间会产生剪切力相互作用,振子振动的幅度会衰减,振动的相位也会发生改变。通过非光学方法检测出振动信号的幅度或相位的变化,就能保持探针处于样品表面的近场范围之内。

　　Karrai和Grober最早实现了这个原理,他们利用石英音叉作为探测剪切力的机械振子,以音叉的固有频率驱动探针平行于样品振动,检测出的压电信号与探针振动的幅度呈比例关系[4],获得了成功。但是在实际操作中,采用基于石英音叉的方法需要较高的技巧[5],这是因为石英音叉的尺寸很小,在它的一个臂上粘接光纤探针非常困难;其次石英音叉的材质较脆,在准备过程中很容易将它碰断;另外石英音叉具有很高的Q值,限制了扫描速度[6]。因此本文采用了一种双压电陶瓷片作为探测剪切力的机械振子[7,8],该方法的装置结构简单、牢固,粘接光纤探针容易操作;采用廉价、体积小巧的均方根检测电路代替昂贵而体积大的锁相放大器,检测振子的振动信号。在商用扫描探针显微镜的基础上研制出了一套反射模式近场扫描光学显微镜观测系统。使用该系统能同时获得样品表面的剪切力形貌图像和相应的反射模式近场光学图像。

　　1　工作原理[7~11]

　　本文采用的以双压电陶瓷片为核心的剪切力检测方案,其机械振子结构如图1所示。双压电陶瓷片为三层结构,左右两侧各有一片压电陶瓷,中间夹层为公共电极。将光纤探针粘接在右侧的压电陶瓷片上,组成探测针尖与样品之间剪切力的机械振子。用信号发生器以该振子的共振频率激励左侧压

电陶瓷片振动,使得光纤探针以几个纳米的振幅在平行于样品表面的方向上振动。右侧粘有光纤探针的压电陶瓷片因压电效应而产生与激励信号频率相同的信号。通过检测这个信号的幅度大小,就可以了解振子的振动情况。当探针接近到样品的近场范围内时会受到与样品之间的剪切力相互作用,信号的幅度将会减小。把表示信号幅度大小的电压值接入压电陶瓷扫描管的反馈控制回路使信号幅度保持恒定,就可以保证光纤探针处于样品表面的近场范围之内。光电倍增管同时收集光纤探针导出的近场光强信号,并进行扫描就能得到样品表面的反射模式近场光学像。