纳米声学及近场声成像技术

　　0 引 言

　　随着现代科学技术的发展，人们对客观世界的认识不断由宏观深入至微观。例如在平常的一滴血中，已经观察到它包含有约 500 万个直径 2~5 μm的红血球，而标准的 DNA 的宽度仅有 2nm。纳米技术，微电子技术，MEMS 和 NEMS 技术的迅速发展，各种新颖的纳米材料和纳米结构，如纳米造影剂，光子晶体，超晶格，量子井，碳纳米线等在生物医学(如药物传输，辅助治疗，医学成像，诊断和肿瘤治疗)，电子学(如大规模集成电路，分子电子器件，NEMS，光检测器/太阳能电池)，航空航天和运载器(如提髙钢、玻璃、聚合物和其他材料的热学、电学和力学性质)等领域大量应用，促进了纳米尺度上材料物性的实验和理论研究。

　　纳米声学是新兴的纳米科学与传统的声学相结合的新的声学分支，利用声波来实现“听到”和“看见”还未发现的微小世界。本文将对纳米声学的主要研究领域作简要说明，对开展纳米声学研究的近场声成像技术中的扫描探针声显微术(SPAM)和压电响应力显微术(PFM)作简单的介绍。

　　1 纳米声学

　　纳米声学或纳米超声学[1]，是正在迅速发展的声学分支，它主要是研究和发展亚微米、纳米尺度的材料和结构中声的激发、传播、接收和操控及其应用的声学理论、实验和传感技术及系统，用声学技术来探索我们尚未发现的微小世界中的物理现象和规律，推动纳米材料和结构在现代科技中的应用。

　　波长为亚微米和纳米的声波的激发和检测，是纳米声学重要的研究内容。利用超短的皮秒和飞秒激光脉冲来激发和检测亚微米和纳米声波脉冲，是全光学的激发和检测纳米声波的激光超声技术[2]。利用超晶格和量子井等结构研制的光学压电传感器(OPT)，是与传统的压电换能器相似的传感技术[3-7]。不同结构的光学压电传感器可用于体波或表面波检测。

　　以纳米线振动为基础的超快和超灵敏的质量、力和电荷传感器的研发，也是纳米声学的研究内容之一。并已有对单个原子称重的报导[8]。这类微结构的谐振一般均发生在髙于 100MHz 的频率范围，并常用相敏检测技术进行检测。

　　超声显微成像，是纳米声学中很重要的研究领域。由于微结构的声学性质产生的反差要比光学的反差大，超声显微术可以对衬底上的超薄材料实现髙反差的成像和力学性质的定量检测，甚至对界面或粘接界面上的缺陷进行成像。对于生物试样，声成像可以不用染色而得到与光学像有非常不同反差的组织结构力学像。图 1 是玻璃基片上一混有聚脂微粒的聚合物薄膜的相敏声显微镜像。它的成像频率为 1.2GHz[9]。