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
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。
1973年 E.A. Ash & G. Nichols 在微波条件下，制作 出了突破分辨率极限的显微镜
扫描近场光学显微技术 原理及应用
(Scanning Near-field Optical Microscopy, SNOM)
本章主要内容：
0. 传统光学显微镜概述 1. 近场光学及近场光学显微镜概念 2. 近场光学理论 3. 近场光学显微镜基本结构 4. 近场光学显微镜的应用
传统光学显微镜概述
传统光学显微镜
其次，通过探针的光流量得到 很大的增强。
二、近场光学显微镜的主要部件
光纤探针缺点 ： 首先，光纤抗热性能差，不能传输高功率激光; 其次，光纤脆性大，极易因与样品碰撞而损坏。
金属化的透光探针 目前分辨率通常为100nm
二、近场光学显微镜的主要部件
无孔探针 把入射光变为局域光源。因
为没有了探针窗口尺寸的限制 ，分辨率极限可达1nm。
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。
二、近场光学显微镜的主要部件 几种典型光路：
图a,b是透射方式，适用于观察透光性好的样品
二、近场光学显微镜的主要部件 几种典型光路：
图c,d反射方式，适用于观察不透明样品
二、近场光学显微镜的主要部件
4）近场光学显微镜的配置方式 ✓ 照明模式
(a,b) ✓ 收集模式
(c,d) ✓ 照明/收集
模式(e)
(1)
u, v, w
一、辐射场和隐失场
2、傅里叶光学角谱方法
物场 y
像场 y
x
E(x,y,z)
x
z
E(x,y,0)
采用傅里叶光学平面波展开法，原点（x,y,0）得到的角谱
A0 (u,v) E(x, y,0) exp[i2 (ux vy)]dxdy
(2)
A0 ( , )
五、近场光谱学
近场光谱 目前的各类光谱测量方法只限于微米尺度观察
。传统的光谱方法无法分辨诸如纳米尺度的发光区 域与本征频谱等。而与近场光学显微镜联用的近场 光谱则填补了这一空缺。
近场光谱，包括紫外-可见光谱，红外光谱，荧 光光谱和拉曼光谱等。
五、近场光谱学——近场光谱仪
近场光学光谱
光学探头
五、近场光谱学——光致发光（荧光） PL谱
第三节 近场光学显微镜基本结构
近场光学显微镜系统的典型结构
二、近场光学显微镜的主要部件 1、近场光学显微镜的主要部件 ： ➢光学探针
➢探针至样品 间距测控装置
➢光路
二、近场光学显微镜的主要部件
1）光学探针
❖小孔探针：光纤探针和非光纤探针。 光纤探针优点： 首先，分辨率有很大提高。
目前最好的分辨率12nm
一、辐射场和隐失场
1、精细结构与空间频率
空间周期- d (光栅常纹数 )
频率越高，d 代表物体或光场的结构越精细。
三维情况 : 空间频率分u量, v,(w
),电磁场的传播波矢
k与直角坐标轴的三个交角、为、(
)
cos, cos, cos
并且 2 2 2 1
四、高分辨率光刻和三维加工
The NSOM was used to create structures on a photoresist sample. The smallest line written was 60 nm wide.
• Naber, A., H. Kock, et al. (1996). High-Resolution Lithography with Near-Field Optical Microscopy.?Scanning 18: 567-571.
二、在生物分子研究中的应用 对细胞和细胞精细结构的观察：
SNOM检测小鼠的肺脏和肝脏切面
三、在信息存储中的应用 高密度信息存储
三、在信息存储中的应用
CD由于受衍射极限的限制，读写斑的尺寸被控制在 lum左右；存储密度约55Mb/cm2
采用近场技术，读写斑的尺寸可以减小到20nm，存 储密度约为125Gb/cm2。
者溶液； ✓ 对于样品环境要求不是很高，可以是静态或
动态。 ✓ 对样品不造成损害。
三、近场光学显微镜概述
（a）是美国标准局用原子力显微镜检测直径为100nm聚乙烯 材料的像，分辨率为1nm； （b）采用近场光学显微镜观测的影像，分辨率为20nm。
第二节 近场光学理论
傅立叶光学的基本思想
单色波入射，空间频率信息会被特定方向的衍射波输送出来，衍射 波在近场彼此交织，到了远场它们分开，从而达到分频的目的.
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。
二、近场光学显微镜的主要部件 5）近场光学显微镜系统的功能扩展和集成
D C
A B
E
第四节 近场光学显微镜的应用
一、超分辨成像 （一）样品信息成像
AgIBr晶体，范围为7.5μm见方。
(a) 表面形貌
(b) 透射SNOM像
一、超分辨成像 （一）样品信息成像
一、超分辨成像 (三）观测微小的光场图像
入射光经物平面发生夫琅和费衍射，在频谱面上形成一 系列衍射光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加， 形成像。
F
A
C’
B
B’
C
A’
一、辐射场和隐失场
远场 (> ) 近场(~< )
电磁波 ( ) 隐失波
辐射场：该分量能够向外传 播。（电磁波）
物体
隐失场：该分量局限于物体表面且急剧衰减 。（隐失波）其 性质与物体的表面结构，材料紧密相关（非辐射场）
二、隐失场理论 1、隐失场的特征
开口直径
微小开口产生的隐失场
二、隐失场理论 1、隐失场的近场探测原理
1）近场探测的基本原理 ： 将隐失场中的携带有物体表面精细结构信息，尽
量不失真的带到位于远处的探测成像装置中，再转变 成人眼所能够观察的图像信号。
二、隐失场理论 3、隐失场的近场探测原理
探头准确地放在物体 表面纳米尺度而又不碰撞 ，采用逐点成像的方法：
1）将纳米尺度的光信号收集, 将其转变为电流；再将其传播 到探测系统。
2）再将逐点采集的信息扫描成为二维图像。
三、近场光学基本原理
(1)具有突变边缘的物体, 无论它被传播波照明还是被隐失波 照射, 都会产生隐失波；
(2) 产生的隐失场不服从瑞利判据, 它在小于一个波长的距离 范围内呈现强烈的局域振荡；
二、近场光学显微镜的主要部件
2）探针与样品间距的测控： ✓ 隧穿电流强度测控技术 ✓ 近场光强度测控技术 ✓ 切变力强度测控技术 ✓ 接触型测控技术
二、近场光学显微镜的主要部件
3）光路 光源和照明光路：
采用激光单色光源，并通过光纤输送照射样品 收集光路和光探测器：
高灵敏度而且可以快速采集信号的光电倍增管。