用于扫描近场光学显微镜的一种新型非光学样品-探针间距测控方法

　　作为扫描隧道显微镜在光学领域的扩展,扫描近场光学显微镜也是基于扫描探针技术,能够在亚波长尺度探测样品的光学信息,打破了长久以来远场光学显微镜光学分辨率的阿贝衍射极限。为保证这种超衍射极限的分辨率,保持样品-探针的间距恒定则十分关键。基于这种目的,国内外很多的研究小组提出了许多种不同的间距控制方式,其中大多数利用了剪切力原理[1,2]。即,激励垂直于样品表面的光纤探针,使之平行于样品表面产生高频谐振。探针逐渐靠近样品时,由于样品-针尖的相互作用,探针的振动受到阻碍。根据探针振幅或相位的改变可以将样品-针尖的间距控制在10nm以下。目前剪切力的工作机理还不清楚。最先用于探针振动测量的是光学方法[3,4]。虽然它可能是目前探测探针振幅最灵敏的方法,但由于调整麻烦,在真空、低温和液体中不适用。而且最糟糕的是将引入杂散光,在本来就很微弱的近场光上叠加了很强的背景,降低了光学信号的信噪比。这种干扰在荧光测量和光谱实验中尤其严重。因此为了避免这些缺点,出现了多种非光学探测的方法,其中一种方法是利用石英音叉的机械特性[5,6]。优点是音叉工作在固定的工作频率。但音叉的尺寸很小,将探针粘接到其中的一个臂上而且同时保证具有较高的品质因子Q,使得这种方法实现起来十分困难,同时高品质因子又限制了扫描样品的速度。还有些小组用电桥检测探针靠近样品时压电元件的阻抗变化作为反馈控制信号,阻抗的变化只有10-4,因此对电桥的热稳定性要求很高[7]。文献[8]中提出破坏激励和接收元件的对称性,即,使接收元件的质量与探针的质量相当(不超过一个数量级)将大大提高剪切力信号(即感应电压信号)的信噪比。但这种方法同音叉方法一样对粘接工艺的要求较高,胶的多少将严重影响品质因子Q。还有一些其他方法,参见[10]。

　　本文在吸收国内外利用压电陶瓷控制样品-探针间距方法的优点的基础上,提出一种进行剪切力控制的新方法。这种方法充分利用了压电陶瓷的压电和逆压电性质。相对于其他已有的方法,实现起来十分简单方便,价格低廉,而且可以将样品-探针的间距控制到更小的范围。

　　实验装置

　　实验中采用直径为10mm,厚度为1mm的压电陶瓷片的一半,压电常数为-1.74×10-12m/V。沿直径方向将电极分成三等分。中间部分用于固定光纤探针。即,先将一个金属针管固定在2上,再将探针插入金属管中。光纤探针的制备是用CO2激光器加热拉伸和HF酸腐蚀的方法相结合制备的

[11]。当针尖的尺寸和形状不变时,探针的谐振频率与伸出金属针管的长度有关。谐振频率和长度的关系近似满足ν∝L-3/2。通过调节探针伸出金属管的长度(1～3mm),针尖的共振频率可以控制在50～150kHz之间。实验装置如图1,信号发生器激励压电陶瓷的1部分,使其沿厚度方向振动。由于压电陶瓷为一体,则1的振动带动2、3部分。使探针沿垂直于轴向的方向振动(平行于样品表面),选择工作点,使探针发生共振,即,探针的振动使压电陶瓷片产生形变,从而在3部分产生感应电压,用锁相放大器测出该信号。压电陶瓷的另一面作为1、3部分的公用地,并将其作为固定面。当探针靠近样品时,由于针尖的振动受到阻碍,振幅变小,相应地,在3部分产生的感应电压也随着减小,根据该感应电压的变化来判断样品-探针的间距。这种方法最大的优点是制备十分简单方便,而且廉价。在金属管和光纤探针的固定过程中,没有必要顾及粘接剂的多少引起Q值的明显变化。而这正是石英音叉方法中十分令人头疼的问题。