扫描近场光学显微镜汇总.
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SNOM(理论与应用)
1
第2章
动力学方程的类比——模型引入的可行性
在量子隧穿的模型中,非相对论形式的动力学方程是著名的 Schrö dinger 方程
(
可变形为
2
2m
2 V ) E
( 2-1 )
(2
2m( E U )
2
) 0
( 2-2 )
此即
(2 k 2 ) 0
( 2-3 )
而对于作为电磁场的光场,又有 Helmholtz 方程
(2 k 2 ) E 0
( 2-4 )
由此,借用 STM 中的 s-波针尖模型,我们可以做如下图的模型
样品表面波函数为周期性的平面场 , 针尖的波函数由于其复杂性 , 我们将其简化 为半径为 R 的球形模型,其允许进入的波的模式为球波.成像信号为这两种模式的 光场的耦合,可以认为是能量在这两种模式的波场中的传递.
( 3-5 )
G 2 ( f x , f y )
( 3-6 )
3
为波矢的水平空间分量. 考虑到光场能量远小于样品的表面激发能量的情形,我们取
k/ / 0
( 3-7 )
为第一 Brillouin 区的原点, 则由如上代换可以直接得到光场的周期平面场的衰 逝部分
E( x, y, z ) E( f x , f y ,0)e
3.2
1s 球波与球形光场的衰逝部分
从众所周知的对量子力学中的球方势阱问题束缚态的求解中,给出在
ra
时,势阱外存在解
R( r ) Bk ' l
( 3-19 )
2k ' r
K
l
1 2
(k ' r )
( 3-20 )
近场光学显微技术原理及应用
G-line
Tip is approached
Tube image width is ~ 70 nm (limited only by
size of the tip)
本章小节
1、基本概念： 近场：
（4） （5）
一、辐射场和隐失场
3、光栅衍射场和精细结构
y
•1)光栅周期大于波长（d>λ）
d
1/v x
u2
v2
1
2
2 2 1
1/u
A(
,
,
z)
A0
(
,
)
exp[i
2
(1 2 2)z]
（5）改写A(
,
,
z)
A0 (
,
) exp[i(z)，] 实数
(z)
2）光栅周期小于波长（d<λ）
隐失场的表达式 ：
E(x,
y,
z,
t)
A(
x,
y,
z)
exp[-i(k
x
x
kx
y)]
exp(
-z Rd
)
二、隐失场理论 1、隐失场的特征
隐失波 (evanescent wave，衰逝波，倏逝波等) 尺寸小于波长的信息，包含在隐失场中； 隐失场离开物体表面在空间急剧衰减； 隐失场是非辐射场或非传播场。
三、近场光学显微镜概述 2、 提高显微镜分辨率的历史概貌
分辨率/nm 1000 100 10 1
0.1
1800 1850 1900 1950 2000 年
传统光学显微镜 电子显微镜 场离子显微镜 扫描隧道显微镜 近场光学显微镜
三、近场光学显微镜概述
3、近场光学显微镜的优点： ✓ 样品不一定必须是导体，也可以是非导体或
Tip is approached
Tube image width is ~ 70 nm (limited only by
size of the tip)
本章小节
1、基本概念： 近场：
（4） （5）
一、辐射场和隐失场
3、光栅衍射场和精细结构
y
•1)光栅周期大于波长（d>λ）
d
1/v x
u2
v2
1
2
2 2 1
1/u
A(
,
,
z)
A0
(
,
)
exp[i
2
(1 2 2)z]
（5）改写A(
,
,
z)
A0 (
,
) exp[i(z)，] 实数
(z)
2）光栅周期小于波长（d<λ）
隐失场的表达式 ：
E(x,
y,
z,
t)
A(
x,
y,
z)
exp[-i(k
x
x
kx
y)]
exp(
-z Rd
)
二、隐失场理论 1、隐失场的特征
隐失波 (evanescent wave，衰逝波，倏逝波等) 尺寸小于波长的信息，包含在隐失场中； 隐失场离开物体表面在空间急剧衰减； 隐失场是非辐射场或非传播场。
三、近场光学显微镜概述 2、 提高显微镜分辨率的历史概貌
分辨率/nm 1000 100 10 1
0.1
1800 1850 1900 1950 2000 年
传统光学显微镜 电子显微镜 场离子显微镜 扫描隧道显微镜 近场光学显微镜
三、近场光学显微镜概述
3、近场光学显微镜的优点： ✓ 样品不一定必须是导体，也可以是非导体或
近场光学显微技术原理及应用
1982年 G. Binning & H. Rohrer 第一部 扫描隧道显微 镜（ STM ）诞生
1984年 D. W. Phol 等人把近场光学技术与 STM 技术的 結合，制成了第一台近场光学显微镜SNOM (scanning nearfield optical microscope)。分辨率达到了1/20波长。
传统光学显微镜概述
传统光学显微镜
1、传统光学显微镜分辨本领
肉眼 显微镜筒
样品台 聚光镜
• 传统光
相对光强曲线 I / I0
学显微
主极大
镜
第一极小
－光学透镜
sin
组成
• 光学衍 射极限
－艾里斑
艾里斑
光源
2、瑞利判据
刚可分辨
不可分辨
如一个物点的衍射光斑的 主极大与另一个物点的衍 射光斑第一极小恰好重合， 便认为两个物点的像刚好 能被分辨开。
近场光（表面波）
•近场：从物体表面到一个波长以内的距离。 •远场：从近场以外一直延伸到无穷远的区域。
二、近场光学及近场光学显微镜概念
1、近场光学：
研究距离物体表面一个波长以内光学现象的新型学科。
2、近场光学显微镜：
用来观测近场（微观尺度）光学现象的新型显微工具 。 不用光学透镜成像, 而用近场光学探针的针尖在样品表面 上方扫描获得样品表面的信息。
三、近场光学显微镜概述
1、 近场光学显微镜之演进历史
• 1928年E.H.Synge第一 个提出突破分辨率极限的 构想。
1）强光源 2）nm量级微调 3）nm量级小孔
光电池
三、近场光学显微镜概述
1956年 J.A. O’Keefe 也提出了一个近场光学扫描显微 镜的构想。
1984年 D. W. Phol 等人把近场光学技术与 STM 技术的 結合，制成了第一台近场光学显微镜SNOM (scanning nearfield optical microscope)。分辨率达到了1/20波长。
传统光学显微镜概述
传统光学显微镜
1、传统光学显微镜分辨本领
肉眼 显微镜筒
样品台 聚光镜
• 传统光
相对光强曲线 I / I0
学显微
主极大
镜
第一极小
－光学透镜
sin
组成
• 光学衍 射极限
－艾里斑
艾里斑
光源
2、瑞利判据
刚可分辨
不可分辨
如一个物点的衍射光斑的 主极大与另一个物点的衍 射光斑第一极小恰好重合， 便认为两个物点的像刚好 能被分辨开。
近场光（表面波）
•近场：从物体表面到一个波长以内的距离。 •远场：从近场以外一直延伸到无穷远的区域。
二、近场光学及近场光学显微镜概念
1、近场光学：
研究距离物体表面一个波长以内光学现象的新型学科。
2、近场光学显微镜：
用来观测近场（微观尺度）光学现象的新型显微工具 。 不用光学透镜成像, 而用近场光学探针的针尖在样品表面 上方扫描获得样品表面的信息。
三、近场光学显微镜概述
1、 近场光学显微镜之演进历史
• 1928年E.H.Synge第一 个提出突破分辨率极限的 构想。
1）强光源 2）nm量级微调 3）nm量级小孔
光电池
三、近场光学显微镜概述
1956年 J.A. O’Keefe 也提出了一个近场光学扫描显微 镜的构想。
近场扫描光学显微镜(NSOM)
、
探 针在 被
。
。
,
该 设备 的分
,
1 0 0波 长
特 别重要 的是
、
、
该 设备 可 以在 任何 常 规 的 光学 和 扫描显 微镜 的 操 作方 式 下使 用 光
、
包括 吸 收
、
位相
反射
。
荧
喇曼 散射 和 光 学诱 导 反差
2
.
(oB I ) C
(N s 0 M)
近场 扫描 光学 显 微镜
的原
理 及分 辨率 近 场 扫 描 光 学显微 镜 中间有 一很 微 小 针 孔
、
)
。
扫 描隧
厚 的高 性能 挡 光 铝膜 一 般 认 为分辨 率 为
)
:
Zo n m
的显 著 进展 使得 发 展 一 种高
Y
针 孔 的 有效 尺 寸 由 以 下 公式 给 出
(参
三维 (
一
。
一
,
z
) 扫描控 制 系统 成 为
所 示 的模 型
,
借 助 这种 系统
目前
,
可 以 实现近 场 扫描光学
,
显 微镜 这 一构 想 微 镜 的 前景 广 阔
,
针 孔 的有 效半 径 几乎 和 光 透 当探针 相 当钝
,
人 金属 的深 度 d p 相 等 ;
刃 口的
曲率半 径达 到
,
500 n
。
m
,
那 么 有 效 半径 大 约 为 光 采 用 探 针镀 高 效挡 光
l on m至 50n m
0 倍 透 人 深度 的 1
因此
膜 的方 法 之间
。
探 针在 被
。
。
,
该 设备 的分
,
1 0 0波 长
特 别重要 的是
、
、
该 设备 可 以在 任何 常 规 的 光学 和 扫描显 微镜 的 操 作方 式 下使 用 光
、
包括 吸 收
、
位相
反射
。
荧
喇曼 散射 和 光 学诱 导 反差
2
.
(oB I ) C
(N s 0 M)
近场 扫描 光学 显 微镜
的原
理 及分 辨率 近 场 扫 描 光 学显微 镜 中间有 一很 微 小 针 孔
、
)
。
扫 描隧
厚 的高 性能 挡 光 铝膜 一 般 认 为分辨 率 为
)
:
Zo n m
的显 著 进展 使得 发 展 一 种高
Y
针 孔 的 有效 尺 寸 由 以 下 公式 给 出
(参
三维 (
一
。
一
,
z
) 扫描控 制 系统 成 为
所 示 的模 型
,
借 助 这种 系统
目前
,
可 以 实现近 场 扫描光学
,
显 微镜 这 一构 想 微 镜 的 前景 广 阔
,
针 孔 的有 效半 径 几乎 和 光 透 当探针 相 当钝
,
人 金属 的深 度 d p 相 等 ;
刃 口的
曲率半 径达 到
,
500 n
。
m
,
那 么 有 效 半径 大 约 为 光 采 用 探 针镀 高 效挡 光
l on m至 50n m
0 倍 透 人 深度 的 1
因此
膜 的方 法 之间
。
04 扫描近场光学显微镜
•
•
– –
发展历史
Previously developed high-resolution techniques, such as scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, scanning tunneling microscopy, and atomic force microscopy, do not benefit from the wide array of contrast mechanisms available to optical microscopy, and in most cases, are limited to the study of specimen surfaces only. Aside from the available contrast-enhancing techniques of staining, fluorescence, polarization, phase contrast, and differential interference contrast, optical methods have inherent spectroscopic and temporal resolution capabilities.
• • • •
• •
• •
•
• •
1932年，Synge's alternative idea: instead of the aperture -point light source 1950年，R.J.Moon通过扫描一个针孔得到了物体的显微图像。 20世纪60年代，激光器发明，解决了Synge提出的第一个技术难题-强光源。 1972年，E.A.Ash和G.Nichols研制成功工作在微波区域的近场显微镜-扫描近场微波显微镜 (scanning near-field microwave microscope)，用3cm的微波获得λ/60的分辨率，历史上第一 个制造出突破分辨率衍射极限的显微镜。成功得益于厘米波长，小孔和小孔至样品间距的尺 Synge's original proposal 度只需控制在毫米量级。 1981年，G.Binnig和H.Rohrer发明STM，解决了Synge提出的第三个难题-纳米级的扫描。 1984年，发明STM的IBM苏黎世实验室D.W.Pohl等人解决了Synge的第二个技术困难-微孔探 针的制造，在实心石英棍端面制备出纳米透光小孔，制成第一台SNOM，分辨极限可达λ/20， 首次突破因衍射效应所导致的光学显微镜的分辨极限。但在探针性能和探针-样品间距的监控 方面还存在困难，难以推广和应用。 1986年，美国康奈尔大学A.Harootanian和E.Betzig等人制成玻璃中空微导管探针。用玻璃毛 细管作导波管，把毛细管一头拉制成针状作探头，分辨率达到150nm。 1989年，R.C.Reddick等人研制成另一类突破分辨率衍射极限的OM-光子扫描隧道显微镜 (photon scanning tunneling microscope, PSTM)，分辨率200nm。 1991~1992年间，贝尔实验室E.Betzig等人改进SNOM：用单模光纤代替玻璃毛细管作为 SNOM探针；采用激光探测针尖和样品间切变力变化，并利用该切变力变化进行反馈控制， 方便地解决了监测和控制针尖至样品表面之间距离至纳米量级的问题。 Work from E.A.Ash and G.Nichols 1993年10月，美国TopoMetrix公司推出商品名‚Aurora”的SNOM，观测到直径18nm的棒状 烟草病毒的像。 国内SNOM研究始于20世纪90年代初。1994年中科院电子显微镜实验室和大连理工大学合作 研制成我国首台SNOM，横向分辨优于10nm，纵向分辨优于1nm。
近场扫描光学显微术
近场扫描光学显微术由于衍射极限，光学显微术的基本原理使得其成像的空间分辨率为所使用光的波长及所使用光学系统的物镜和聚光镜的数值孔径所限制。
近场扫描光学显微术（NSOM）——也经常称之为扫描近场显微术（SNOM）是基于这样一种需求而开发的。
其成像具有由光学显微术成像中的各种衬度结构，而空间分辨率高于典型的光学衍射极限。
近场扫描光学显微术被归类一个大类的仪器中，这类仪器被称之为扫描探针显微镜（SPMs）。
所有的SPMs实质上均根据IBM的研究人员Gerd Binning和Heirich Rohrer于1980年前所发明的扫描遂道显微镜（STM）发展起来的。
普通光学成像方法的理论极限（对可见光为200-300纳米）是刺激现代高分辨率扫描探针显微术发展的主要因素，例如STM和原子力显微术（AFM），较早期的透射式电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
这类技术和其后开发的技术使分辨率得以很大的提高，甚至可分辨单个原子。
虽然，在近场扫描光学方法发明之前，超高的分辨能力可利用光学显微术中的各种各样的衬度放大装置来实施。
对大多数高分辨技术来说，标本的制备方式限制了它在很多场合下的应用，特别是生物学研究中的动态检测及器皿中试样的检测。
近场扫描光学显微术综合了AFM技术中极高的地形地貌状分辨率特性，很多类型光学显微术中有效的现行分辨率、偏光特性，光谱特性，灵敏度及灵活性等。
物体与光的作用，例如显微标本，其结果会产生近场和远场两种方式。
远场光是透过一个非限制方式的空间进行传播的，作为一种“普通”光在一般的显微术中应用。
而近场（趋于零）光则是由一个非传播场构成。
这个非传播场存在于标本的表面附近，其距离小于光波的波长。
在近场内的光在标本表面几十纳米的范围内携带了更高频率的信息并具有最大的幅度。
因为近场光在一个光波长的距离内是安指数衰减的，通常是趋于不易探测。
事实上，当光由标本表面传播致到远场区间，高频率空间信息已被过滤掉了，在这种情况下即“衍射光的阿贝极限”产生作用了。
近场光学显微镜介绍
近场光学显微镜1.概述新型的近场光学显微镜的出现，使人们的视野拓宽到波长的十分之一以下，即纳米尺度。
在近场光学显微镜中，采用孔径远小于光波长的探针代替光学镜头。
当把这样的亚波长探针放置在距离物体表面一个波长以内，即近场区域时，通过探测束缚在物体表面的非辐射场，可以探测到丰富的亚微米光学信息。
随着扫描探针显微学、微弱光信号探测技术的发展，人们可以制备孔径小于50 nm 的光纤探针，并且精确地在样品表面几十纳米以内稳定、可靠地进行光学信息的扫描成像，即扫描近场光学显微镜，其光学分辨率达到波长的几十分之一。
由于光子具有一些特殊的性质，如没有质量、电中性、波长比较长(与电子相比较)、容易改变偏振特性、可以在空气及许多介电材料中传播等等，近场光学在纳米尺度观察上起到其他扫描隧道显微镜、原子力显微镜所不能取代的作用，引发了近场光学显微镜在纳米尺度光学成像、纳米尺度光学微加工与光刻、超高密度信息存储、以及生物样品的原位与动态观察等一系列研究。
在这个领域中，另一个新的发展是近场光学技术与近场光谱及时间分辨的结合。
人们不但能够分辨单一的分子，并且能得到单一分子发出的荧光光谱及与时间分辨(10 - 15s)相结合的介观体系信息。
同时，也提出了近场条件下分辨率、衬度、偏振及光的传播特性的新的理论问题。
2.近场光学显微镜的原理传统的光学显微镜由光学镜头组成，可以将物体放大至几千倍来观察细节，由于光波的衍射效应，无限提高放大倍数是不可能的，因为会遇到光波衍射极限这一障碍，传统的光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。
比如，以波长λ=400nm的绿光作为光源，仅能分辨相距为200nm的两个物体。
实际应用中λ>400nm，分辨率要更低些。
这是因为一般的光学观察都在距离物体很远的位置（>>λ）。
近场光学显微镜根据非辐射场的探测和成像原理，能够突破普通光学显微镜所受到的衍射极限，可以在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。
近场光学显微镜
光学显微镜的分辨率
• 如何克服近场光学显微镜在成像过程中的光学衍射极
限，以实现更高的分辨率
02
提高成像速度和灵敏度
• 如何实现光纤探针的更快扫描速度，以提高近场光学显
微镜的成像速度
• 如何提高近场光学显微镜的检测灵敏度，以实现对微弱
信号的准确检测
03
拓展成像功能和应用领域
• 如何开发新的成像模式和技术，拓展近场光学显微镜的
在生物科学领域，近场光学显微镜有
望实现对生物分子和细胞过程的更深
入、更精细的研究
在材料科学领域，近场
光学显微镜有望实现对
材料性能的更准确、更
快速的评估和优化
在医学领域，近场光学
显微镜有望实现对疾病
发生、发展和治疗的更
早期、更精确的监测和
评估
近场光学显微镜面临的技术挑战
01
提高成像分辨率
• 如何实现光纤探针的更高精度和更小尺寸，以提高近场
分辨率
• 近场光学显微镜的分辨率低于电子显微镜，但高于光学显微镜 -这使
得近场光学显微镜能够在一定程度上观察到电子显微镜所无法观察到的
细微结构
成像方式
• 近场光学显微镜利用光纤探针在样品表面进行扫描，实现对样品表面
形貌和光学性质的成像
• 电子显微镜利用电子束对样品进行成像，可以实现样品的微观观察
应用领域
光信号、拉曼信号等
• 这使得近场光学显微镜在生物科学和材料科学等领域具
有广泛的应用前景
03
独特的成像方式
• 近场光学显微镜利用光纤探针在样品表面进行扫描，实
现对样品表面形貌和光学性质的成像
• 这种成像方式使得近场光学显微镜具有很高的灵活性和
扫描近场光学显微镜-中国科学院物理研究所
带高空间频率信息的光波，但它们并不能向远处传播，而是几乎沿着光阑的平 面传播，其强度随着z方向呈指数衰减。携带低空间频率的光波仍然不受阻碍 地向前传播。 (J. P. Fillard, 1996)
近场光学显微探针示意图
1928年 Sir Synge 1972年 Ash & Nichols
用一个比衍射极限小的孔紧贴物 体表面指出有可能得到比衍射极 限分辨率高的光学图象, 困难在 于：小孔的制造和弱光的检测
λ= 3cm 的微波得到λ/60的分辨 率
1980年
D.W.Pohl IBM Zurich)
STM 技 术 镀 上 金 属 的 石 英 针 尖 得到了近场光学图象
1986年 A.Harootunian (Cornell University)
1991年 Betzig AT&T Bell Lab
用光纤拉制探光小孔
U. Hartman, J. Magn.& Magn. Mater. (1996)
-Data Storage
H.J. Mamin, IBM J. Res. Develop. (1995)
-Biological Imaging
N. Van Hulst et al. J. Struct. Bio., 119,222 (1997)
最大值的74％（Rayleigh判据）
R为最小分辨距离 λ为照明光的波长 n为物方折射率 μ为物镜对样品的 半张角 nsin μ称为数值孔径
(N.A.)
光学显微的分辨本领 R ＝λ/(2NA) R =0.61 λ /NA
提高常规光学显微镜的分辨本领：
N（um1）er减ica小l A照pe明rt光ure波长λ
（2）增大数值孔径N.A.
近场光学显微探针示意图
1928年 Sir Synge 1972年 Ash & Nichols
用一个比衍射极限小的孔紧贴物 体表面指出有可能得到比衍射极 限分辨率高的光学图象, 困难在 于：小孔的制造和弱光的检测
λ= 3cm 的微波得到λ/60的分辨 率
1980年
D.W.Pohl IBM Zurich)
STM 技 术 镀 上 金 属 的 石 英 针 尖 得到了近场光学图象
1986年 A.Harootunian (Cornell University)
1991年 Betzig AT&T Bell Lab
用光纤拉制探光小孔
U. Hartman, J. Magn.& Magn. Mater. (1996)
-Data Storage
H.J. Mamin, IBM J. Res. Develop. (1995)
-Biological Imaging
N. Van Hulst et al. J. Struct. Bio., 119,222 (1997)
最大值的74％（Rayleigh判据）
R为最小分辨距离 λ为照明光的波长 n为物方折射率 μ为物镜对样品的 半张角 nsin μ称为数值孔径
(N.A.)
光学显微的分辨本领 R ＝λ/(2NA) R =0.61 λ /NA
提高常规光学显微镜的分辨本领：
N（um1）er减ica小l A照pe明rt光ure波长λ
（2）增大数值孔径N.A.
光学第三章 - 介质界面光学与近场光学显微镜 - 小结
Apertureless Modes of Operation
a) Photon Tunneling (PSTM) by a sharp transparent tip, b) PSTM by sharp opaque tip on smooth surface, c) Scanning Interferometric Apertureless Microscopy (SIAM) with double modulation.
1 d ' k 2 z 2
n1 sin i1 2 n2 2
0
波动性: 仅沿界面x方向为行波。 等幅面与等相面正交。
不具有辐射场，
即 S2 z 0
近场扫描光学显微镜
金 属 刀 片
a) b) c) d) e)
Apertured Modes of Operation
Illumination, Collection, Illumination Collection, Reflection and Reflection Collection
反射率和透射率：
反射率/透射率 振幅反射率
p p 1
P分量' Fra bibliotekE p E r 1p 1p
Rp I1' p I1 p p r
2
s s 1
S分量
' /E s E r 1s 1s
Rs I '1s s r I1s
W '1s Rs W1s
~ v
2
0 0 i
~
c
c ~ ~ ~ n k
~ n1 i n
2
讲义实验四：扫描探针显微镜(扫描隧道显微镜)
可以产生隧道电流。
2．压电效应与压电扫描管
所谓压电效应是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一
电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前
广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称 PZT)和钛酸钡等。当在压
电陶瓷加上对称电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短，也就是说，可以通过改变电
隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经 计算，透射系数 T 为：
( ) T ≈ 16E V0 − E
− 2a
eh
2m(V0 −E )
V0
（4-1）
由式(1-1)可见，T 与势垒宽度a，能量差(V0 − E) 以及粒子的质量m 有着很敏感的关系。 随着势垒厚(宽)度a 的增加，T 将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧 穿势垒的现象。
再次，SPM 的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须 安放在高真空条件下才能进行测试。而 SPM 既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、 常温、高温，甚至在溶液中使用。因此 SPM 适用于各种工作环境下的科学实验。
SPM 的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、 微电子等应用学科都有它的用武之地。利用 STM 针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵， 这为纳米科技的全面发展奠定了基础。SPM 的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较
会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向
弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在 x-y 方向的相互垂直移
扫描近场光学显微镜
不同的SNOM模式
第一类为孔径型扫描近场光学显微镜 (Apeture SNOM)，采用亚波长的小孔（或针尖） 作微光源或微探测器，而且激发光与被探测的 信号光的方向是平行的。
第二类是光子扫描隧道显微镜（PSTOM又 称STOM）,激发光斜射入样品，通过全内反射 在样品表面形成消逝场，置于消逝场的光探针 实际是一个散射中心，它将非辐射场通过转换 成传输波而被探测。
SNOM系统总体结构
光学探针 A 样品台 B 探针扫描控制 C （包括T－S间距控制） 光输入系统 D 信号采集处理系统 E
光学探针
光学探针是SNOM中的一个关键元件，它 的质量决定了SNOM系统图象的分辨率和信噪 比（这里所谓的“探针”指具有亚波长尺度的 微小光源或信号接收器）。一般讲，用于 SNOM中的探针要求“小而亮”。探针尖端孔 径越小，SNOM的分辨率越高；但另一方面， 信号光又必须足够强，才能有足够的信噪比。
• 顾书龙，扫描近场光学显微镜的技术与应用， 阜阳师范学院学报，2003年3月，第20卷第1期
SNOM的发展历史 及国内外的研究现状
• 1928年，E.H.Synge 提出“近场探测原理” • 1972年，E.A.Ash 等人在微波波段(λ= 3 cm)
实现了λ/60(0.5mm)的分辨率 • 1981年，IBM的G.Binnig发明了STM • 1982年，D.W.Plhl实现了SNOM分辨率为25nm • 90年代后，Bell实验室的E.Betzig解决学显微镜原理及其应用， 激光与电子学进展，1997年第2期
• 朱星，近场光学显微镜，现代科学仪器，1998 年，第一卷第2期
• 葛华勇，近场光学显微镜及其应用，激光与电 子学进展，2002年6月，第39卷第6期
SPM
扫描力显微镜 Scanning Force Microscope (SFM) 原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM) 摩擦力显微镜 Lateral Force Microscope (LFM) 磁力显微镜 Magnetic Force Microscope (MFM)
MFM是使用受迫振动的磁性 探针扫描样品表面，通过测量 探针的振幅，相位或频率变化 来研究磁针尖与样品磁结构间 的长程磁性力，
LFM不像AFM那 样检测悬臂的垂 直形变量，而是 检测微悬臂横向 扭转弯曲程度。 因为微悬臂的扭 转弯曲程度随表 面摩擦特性变化 而增减（增加摩 擦力导致更大的 扭转）。
电子探针显微分析的特点
电子探针显微分析的优点是： 1. 微区分析 2. 形貌与成分的有机结合
电子探针显微分析的缺点是：
灵敏度比差：按所分析的元素而灵敏度不同，约为 0.03-0.008%
准确度差：尤其对于轻元素
X射线显微分析的方式
(1) 点分析 这种方法是把电子束固定打在样品的某一 点上对这一点的元素组成进行分析。可以分析很微小的区 域的化学组成。
根据探针同样品作用力性质的不同，SFM仪器主要有三种成像模式， 接触式(contact mode)，非接触式(noncontact mode)和半接触式 (semicontact mode)（即轻敲式(tapping mode)）。
在轻敲模式AFM中，微悬臂被压电 驱动器激发到共振振荡，振荡振幅 用来作为反馈信号去测量样品的形 貌变化。在相位成像中，微悬臂振 荡的相角和微悬臂压电驱动器信号， 同时被记录，它们之间的差值用来 测量表面性质的不同。
扫 描 力 显 微 镜 的 应 用
（1）层状材料
（2）离子晶体
MFM是使用受迫振动的磁性 探针扫描样品表面，通过测量 探针的振幅，相位或频率变化 来研究磁针尖与样品磁结构间 的长程磁性力，
LFM不像AFM那 样检测悬臂的垂 直形变量，而是 检测微悬臂横向 扭转弯曲程度。 因为微悬臂的扭 转弯曲程度随表 面摩擦特性变化 而增减（增加摩 擦力导致更大的 扭转）。
电子探针显微分析的特点
电子探针显微分析的优点是： 1. 微区分析 2. 形貌与成分的有机结合
电子探针显微分析的缺点是：
灵敏度比差：按所分析的元素而灵敏度不同，约为 0.03-0.008%
准确度差：尤其对于轻元素
X射线显微分析的方式
(1) 点分析 这种方法是把电子束固定打在样品的某一 点上对这一点的元素组成进行分析。可以分析很微小的区 域的化学组成。
根据探针同样品作用力性质的不同，SFM仪器主要有三种成像模式， 接触式(contact mode)，非接触式(noncontact mode)和半接触式 (semicontact mode)（即轻敲式(tapping mode)）。
在轻敲模式AFM中，微悬臂被压电 驱动器激发到共振振荡，振荡振幅 用来作为反馈信号去测量样品的形 貌变化。在相位成像中，微悬臂振 荡的相角和微悬臂压电驱动器信号， 同时被记录，它们之间的差值用来 测量表面性质的不同。
扫 描 力 显 微 镜 的 应 用
（1）层状材料
（2）离子晶体
近场光学显微镜的工作原理
近场光学显微镜的工作原理商业计划书一、概述近场光学显微镜（Near-field Optical Microscope，简称NSOM）是一种重要的纳米尺度显微技术，其工作原理基于近场光学效应。
本商业计划书旨在介绍NSOM的工作原理，以及通过开展相关业务来推动该技术的商业化应用。
二、技术背景近场光学显微镜是一种基于光学原理的显微镜，可以实现纳米尺度的高分辨率成像。
与传统光学显微镜不同，NSOM利用近场光学效应，即光场与样品的极近距离相互作用，从而突破了传统显微镜的分辨率限制。
三、工作原理NSOM的工作原理可以分为两种方式：透射式和反射式。
1. 透射式NSOM透射式NSOM将样品放置在一个透明的探测器尖端下方，通过控制探测器与样品之间的距离，使其处于近场光学作用范围内。
然后，通过探测器尖端的极小孔径，只有几十纳米大小，将光束聚焦到样品表面，使得光场与样品的极近距离相互作用。
最后，通过检测光场的变化，可以获得样品表面的高分辨率图像。
2. 反射式NSOM反射式NSOM则是将样品放置在一个金属薄膜下方，通过探测器尖端的极小孔径，将光束聚焦在样品表面上。
与透射式NSOM不同的是，反射式NSOM通过探测器尖端侧面的金属反射，将样品表面的光场信息传递到探测器上。
通过探测器的移动和扫描，可以获得样品表面的高分辨率图像。
四、商业化应用NSOM作为一种高分辨率成像技术，具有广泛的商业化应用前景。
1. 纳米材料研究NSOM可以用于纳米材料的表征和分析，例如纳米颗粒、纳米线等。
通过NSOM的高分辨率成像，可以观察到纳米材料的形貌、尺寸和表面结构，为纳米材料研究提供重要的实验手段。
2. 生物医学研究NSOM在生物医学领域的应用也具有巨大潜力。
通过NSOM的高分辨率成像，可以观察到生物样品的细胞结构、蛋白质分布等细节信息，为生物医学研究提供宝贵的数据支持。
3. 纳米器件制造NSOM还可以应用于纳米器件的制造过程中。
通过NSOM的高分辨率成像和控制能力，可以实现对纳米器件的精确加工和调控，为纳米器件制造提供重要的工艺技术。
扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)
STM针尖的制备
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
铂铱丝
扫描方式
恒高模式
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
恒流模式
用STM得到的形貌图
生物w秀ww-.专bb心io做o点.生缺c陷o物m
高序石墨
碘原子
通过STM实现原子操控
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
Fe-circle on the surface of Cu
亨利克.罗雷尔 Heinrich Rohrer
杰德.宾尼 Gerd Binning
1982年于IBM实验室发明了首台STM
1986年获得了诺贝尔物理学奖
STM发明历史与基本工作原理
针尖
平行金属板间的隧道效应生物w秀w样w-品.专bb心iSTo做oM.生：co物m
隧道电流对距离非常敏感
是利用隧道电流对距离的敏感 来设计的，通过采集针尖和样 品表面原子间的隧道电流来表 征材料的表面形貌的
Atomic Force Microscope （AFM）
Magnetic Force Microscopy（MFM）
……
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
透射电子显微镜 （TEM）照片
扫描电子显微镜 （SEM）照片
扫描探针显微镜
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
扫描探针显微镜
原子生力物显w秀ww-微.专bb心镜io做o.(生cAo物mFM)
AFM的工作原理
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
原子力显微镜: 利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。
AFM的工作原理
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
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SNOM的发展历史 及国内外的研究现状
• 1928年，E.H.Synge 提出“近场探测原理” • 1972年，E.A.Ash 等人在微波波段(λ = 3 cm) 实现了λ /60(0.5mm)的分辨率 • 1981年，IBM的G.Binnig发明了STM • 1982年，D.W.Plhl实现了SNOM分辨率为25nm • 90年代后，Bell实验室的E.Betzig解决了镀Al 膜的光纤超微探针制备和针尖－样品间距控制 这两个难题
SNOM的原理
常规的光学方法：探测元件（如镜头）则 位于远远大于波长的远场中，由于衍射效应， 只能获得由传播场携带的大于波长一半的结构 信息。 近场光学显微镜：光学探针尖端的孔径远 小于光的波长。当把这样的亚波长光孔放置在 近场区域时，可以探测到丰富的亚微米光学信 息。
隐失波及隐失场
在近场中，一方面它包括可以向远处传播 的分量，又包括了仅仅限于物体表面一个波长 以内的成分。它的特征是“依附”于物体表面， 强度随离开表面的距离增加而迅速衰减，不能 在自由空间存在，因而被称为隐失波。它的特 点是沿x-y方向传播，而沿z方向迅速消失，并 且以光的频率振荡。由隐失波构成的场称为隐 失场或者非传播场。
不同的SNOM模式
第一类为孔径型扫描近场光学显微镜 (Apeture SNOM)，采用亚波长的小孔（或针尖） 作微光源或微探测器，而且激发光与被探测的 信号光的方向是平行的。 第二类是光子扫描隧道显微镜（PSTOM又 称STOM）,激发光斜射入样品，通过全内反射 在样品表面形成消逝场，置于消逝场的光探针 实际是一个散射中心，它将非辐射场通过转换 成传输波而被探测。
扫描近场光学显微镜
பைடு நூலகம்
汇报人：
主要内容
1. 2. 3. 4. 概述 SNOM的发展历史 基本原理及相关技术 应用前景
概
述
扫描近场光学显微镜（SNOM——Scanning Near-field Optical Microscopy）是依据近场探测原理 发展起来的一种光学扫描探针显微（SPM）技术。 其分辩率突破光学衍射极限，达到10 ~ 200 nm。在 技术应用上， SNOM为单分子探测，生物结构、纳 米微结构的研究，半导体缺陷分析及量子结构研究 等多个领域提供了一种有力的工具；在物理上，它 将量子光学、波导光学、介关物理等多个学科联系 在一起，并由此开辟了一个新的光学研究领域—— 近场光学（ Near-field Optics）。
目前，在我国较有影响的国外产品有： 美国Thermo Microscopes，Inc公司的 SNOM，德国OMICRON Vakuunphysik GmbH公司的Twin-SNOM等。国内已有 清华大学、北京大学、大连理工大学以 及上海光学仪器研究所等多家研究小组 在开发或研制扫描近场光学显微镜，研 制光纤探针的小组更多。
主要有三种方法： 等高模式（Constant altitude mode） 等光强模式（Constant intensity mode） 剪切力控制模式（Shear-force control mode)
等高模式
针尖在一个固定 水平高度上扫描，光 信号强度的起伏反映 了表面形貌的起伏， 这种模式适用于表面 极为平整的样品，目 前较少采用。
等光强模式
针尖按照设定的 光强值，随表面光强 的起伏而上下起伏， 反馈信号反映了表面 光强的变化。由于在 近场范围中，光强与 间距的关系并不是单 调变化的，因此反馈 信号的起伏并不严格 反映表面的形貌。
剪切力模式
由于针尖与样品之间 存在一些长程力（如粘 滞力等），并存在一个 共振频率f(d),当探针在 按等光强模式扫描的同 时，沿一水平方向以这 一共振频率作微小振荡， 针尖在这一方向上的振 动将受到阻碍而容易被 观测到。这样，针尖可 以按照固定的T－S间距 上下起伏。
锥形光纤微探针
其中，为了防止光信 号泄漏，在连接部针尖外 围镀有几十纳米层的金属 膜。将激光传导到10－ 100nm微区，在样品激发 的信号被光学镜头接受、 记录。当探针做二维扫描 时同时得到样品形貌和近 场光分布。探针和样品间 距保持在10－50纳米的近 场范围。
Tip－Sample间距的控制
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Tip-Sample间距的控制
不同的SNOM模式
SNOM系统总体结构
光学探针 A 样品台 B 探针扫描控制 C （包括T－S间距控制） 光输入系统 D 信号采集处理系统 E
光学探针
光学探针是SNOM中的一个关键元件，它 的质量决定了SNOM系统图象的分辨率和信噪 比（这里所谓的“探针”指具有亚波长尺度的 微小光源或信号接收器）。一般讲，用于 SNOM中的探针要求“小而亮”。探针尖端孔 径越小，SNOM的分辨率越高；但另一方面， 信号光又必须足够强，才能有足够的信噪比。
当一个亚波长的微小 光源，在一物体的近场 范围内照射物体时，照 射光斑的面积只和孔径 大小有关，而与波长无 关。这样，在反射光或 透射光中，将携带物体 亚波长尺寸结构的信息， 通过采集样品各“点” 的信号光，即可得到分 辨率小于半波长的样品 的近场图象。
有关SNOM的几个技术问题
• 光学“探针”的制作
接收模式
照射模式
光子隧道模式
反射模式
应用前景
1. 单分子观测
2.细胞和细胞器精细结构
3.高密度信息存储
单分子观测
利用SNOM，E.betzig小组已在室温下成功 地观察到固化在PMMA有机膜中的哑铃形碳花 青染料分子及其取向。
细胞和细胞器的精细结构
94年，美国太平洋西北实验室的谢晓亮等 人利用SNOM技术，发现叶绿素系统中的一些 独立蛋白合成物在thylakoid膜上分布情况。 Thylakoid膜是植物发生光合作用的地方，蛋白 合成物嵌在膜中，吸收阳光并通过一系列的反 应转化为植物自己的能量。它们在膜上的分布 情况有助于了解不同合成物之间能量的处理机 制，从而在分子水平上研究光合作用中包含的 化学反应，包括电子转移、质子转移、能量转 移以及蛋白质构型变化。
高密度信息存储
目前使用的光盘采用的是远场技术，读 写斑的尺寸被衍射极限控制在1mm左右，存储 密度约为50MB/cm2。若采用近场技术使读写 斑的尺寸减小到20nm，则密度可提高到 125GB/cm2。按此密度计算，一张30cm光盘的 总容量可达1014bit，相当于美国国会100年档案 信息量的总和，接近人脑的总存储能力 (1015bit)。