近场光镊与AFM探针复合的光阱力分析

　　本文设计的近场光镊与 AFM 探针相复合的纳米操作系统，能大大扩宽近场光镊和 AFM 系统在纳米操作上的应用范围。

　　0 引 言

　　自从 1990 年美国圣荷塞 IBM 公司 Almaden 研究中心的 Eigler D 等人[1]首次实现原子搬迁以来，纳米操作便开始引起学者的关注，借助纳米操作技术，人们可以随意加工和组装出三维微机电系统(MEMS)元件、操作微小生物对象，或是移动微机器人系统[2-4]。随着微细加工特征尺寸的减小，由上到下的制备技术困难越来越大，借助纳米操作技术则可利用由下至上的加工方法来实现亚微米级结构的制备[5]。

　　常用的纳米操作装置一般采用扫描探针显微镜(SPM)和激光光镊。基于 SPM 的纳米操作系统构建相对容易，操作精度高，但 SPM 单探针只能完成简单的二维操作，其柔性工作能力受到极大的限制[6]。基于激光光镊的纳米操作系统具有非接触、无损伤地操作微纳尺度粒子的特性，但由于受到光学衍射极限的限制，传统光镊不能捕获更小的微粒。最近发展起来的近场光镊能突破衍射极限，利用探针尖附近隐失场形成的局域增强场所产生的强梯度力可以实现对几十纳米至几纳米微粒的捕获[7-8]。其中，光纤探针型近场光镊借助外界辅助克服外界干扰力(如重力和布朗运动力)能实现样品微粒的稳定操作，当利用多个近场探针对样品施以不同的梯度力时，更可实现复杂的纳米操作。虽然近场光镊的操作精度从微米级发展至纳米级，但近场光纤探针极低的通光效率和偏弱的隐失场等因素降低了单个纳米微粒的操作能力。

       目前纳米操作技术的发展呈现出呈多功能化发展的趋势，研究者正尝试将多种效应组合在一起以建立功能更全面的操作技术[9]。本文集成近场光镊与原子力显微镜(AFM)系统各自的优点，探索了一种激光近场光镊与 AFM 探针相复合的纳米操作方法。该方法借助 AFM 探针的场增强效应来克服近场光镊中光纤探针隐失场偏弱的问题，并利用 AFM 探针局域增强光场与光纤探针出射光场耦合形成的三维光阱力来平衡外界干扰力，最终实现纳米微粒的稳定操作。由于纳米微粒的近场捕获容易受细微、难以量化的近场性质的影响，该复合系统在进行纳米操作时，探针会对微粒表面电磁场产生局部扰动，因此需要研究探针与微粒间的相互作用力，以分析复合系统的近场捕获能力。本文基于三维时域有限差分方法(3D FDTD)和麦克斯韦应力张量建立了一种近场光阱力数值分析方法，探求了复合系统中近场光阱力的三维分布情况。结果表明，近场光镊光纤探针与 AFM 探针相复合的近场区域能形成很强的三维光阱，置于其中的微粒会受到逆梯度方向的力而被捕获。同时，还研究了两探针间距离、针尖材料的电导率、入射光偏振方向、入射角以及波长对光阱力形成的影响，为实验装置的设计和制造提供了有益的理论指导。