近场光学显微镜

发展历史： 1928年，Synge 提出设想 1972年，Eric Ash等人在微波波段实现 1984年，Pohl等研制成功第一台扫描近场光学 显微镜 1991年，Betzig等人采用光纤探针并结合剪切 力测控探针--样品间距，SNOM真正实用。
技术难点：扫描和距离的控制 + 高质量纳米光孔制备
探针－样品间距控制 方法：隧道电流
TECNAI F30场发射透射电镜 点分辨率：0.205 nm point at 300kV 线分辨率：0.102 nm line at 300kV
环境可控扫描电镜 特点:图像分辨率高对任何样品无需
处理，可直接进行观察；进行动态反 应过程的直接观察 。
电子显微镜下的病毒照片
用电子显微镜拍摄的苯分子照片
n0 sin u0
0.61 0 ，N.A.
N.A.
n0 sin u0称为显微镜的数值孔径。
y0m
0.61 0
n0 sin u0
0.61 0
N.A.
如何提高分辨本领？纳米分辨？
1. 提高分辨率的方法之一是提高N.A.，可通 过油浸和使用广角透镜获得较大的数值孔 径。不过N.A.最大为1.5左右，此时 y0m0/2,这是传统光学显微镜的极限分辨 率—半波长。
超衍射极限和近场光学显微镜
人类视野的拓展：望远镜和显微镜
( 经透镜 )
物镜衍射极限
( 经透镜 )
几何光学 : 物点 像点
波动光学 : 物点 像斑
物(物点集合) 像(像点集合)
物(物点集合) 像(像斑集合)
0
0 0
瑞利判据: 两艾里斑中心的夹角等于每个艾里斑自身的半角宽度
*显微镜的分辨本领和物镜数值孔径
GaAs纳米晶的透射电镜照片和电子衍射图, 透射电镜下观察到的主要是GaAs 纳米晶的的团聚体,同时,在团聚体中也可一观察到5-20 nm的GaAs颗粒,图b 是图a对应的电子衍射图,可以看出,只有面心立方结构GaAs纳米晶的多晶衍 射特征环.
使用短波长或电子束分辨率虽然提高，但 丧失了光学探测无损的优势，并且无法直 接获得光谱学信息。价格昂贵，系统复杂
所以：
QR Q' R'; QR n0 y0 sin u0， Q' R' n' y'sin u'
得到阿贝正弦条件：
n0 y0 sin u0 n' y'sin u'
源自文库
u’
y0
0
u0
l
艾里斑对物镜中心张开的半角宽度：0
1.22
0 ；瑞利判据在此表现为：
n' D
ym '
y0
l
0
1.22
0
n' D
;
l
D 有几何关系：sin u' 2
D
得：
l 2l
ym
'
0.61
n'
0
sin
u'
，
由Abbe正弦条件，n0y0 sin u0 n'y'sin u'得：
y0m
0.61 0
h 2meV
加速电压 104V 105V
电子波长 1.210-2nm 3.710-3nm
分辨本领 510-2nm 1.510-2nm
有效放大率 2106 6106
1986 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 一 半 授 予 德 国 柏 林 弗 利 兹 - 哈 伯 学 院 （ Fritz-HaberInstitut der Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特·鲁斯卡（ErnstRuska，19061988)，以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜； 另一半授予瑞士鲁希利康（Rüschlikon）IBM苏黎世研究实验室的德国物理学 家宾尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer， 1933-)以表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。
工作模式：
按探针作用分为： • 照明模式（I mode） • 收集模式（C mode） • 照明－收集模式（I-C mode）
按光信号获取方式不同： • 反射模式 • 透射模式 • 荧光模式
近场光学显微镜应用
• 超分辨成像 • 近场光谱 • 近场光存储 • 近场光学在生物领域中的应用 ……
TERS
附录：阿贝正弦条件
P y0
QR
N
N’
M
u0 S T
M’ G’ S’
T’ F’
n0 组 具 光 n’
u’ Q’
-y’ R’
P’
在傍轴条件下：
F' P' F'Q'，G' P' G' R'
物像等光程
PNN' P' PSS' P'；QMM'Q' QTT'Q' PNN'G' RMM'G'; PSS' F' QTT' F'
以上方案均受制于衍射 能否突破衍射极限？
1928年 ， Synge 设想
(1)在不透明的平板或薄膜上， 制备出一个近乎10 nm的小孔， 置于生物样品切片正下方，两 者间隔近10nm
(2)入射光通过平板小孔照明 样品，透过样品的光被显微镜 聚焦到光电池上。
(3)保持入射光源强度不变， 在两个横方向上，以10nm的步 距移动样品，使入射光点沿样 品平面网格状扫描样品。
镀膜：
微制备：
优点：可重复性好，可批量生产 缺点：制备工艺复杂
• 光学探针 • 探针－样品间距z 的反馈控制系统
• 驱动样品或针尖在
x-y平面内运动的二维
扫描系统
• 信号采集系统 • 图像处理系统
发展：近场光学显微镜种类和工作模式
(a)有孔针尖SNOM (b)无孔针尖SNOM (c)光子隧穿显微镜
2. 选择短波长光照明是提高显微镜分辨本领 的另一个途径。
电子显微镜：
利用运动电子的具有波动性制造电子显微镜，因 为电子的德布罗意波长极短，所以它有极高的空 间分辨本领。
电子束发散角较小，u0~0.16rad；
ymE
0.61 e
N.A.
0.61 e
0.16
4e
电子波长取决于电子的加速电压：e
h p
近场显微镜缺点： 探针的扰动 逐点扫描，信号采集时间长
新的原理？远场超分辨？ 目前的前沿之一
Optical stethoscopy: Image recording with resolution .1/20
D. W. Pohl, W. Denk, and M. Lanz
Appl. Phys. Lett. 44 (7), 651， 1April 1984
Subwave length-resolution optical image recording is demonstrated by moving an extremely narrow aperture along a test object equipped with fine-line structures. Details of 25-nm size can be recognized using 488-nm radiation. The result indicates a resolving power of at least /20 which is to be compared with the values of /2.3 obtainable in conventional optical microscopy.
针尖样品间力的相互作用
传统AFM的光杠杆技术
切变力探测
光学探针
• 探针孔径 • 通光效率
SNOM分辨率 SNOM信噪比
孔径越小，通光越低 典型探针孔径：50－100纳米
488 nm
NSOM 探针制备 热拉法：
优点：制备快、方便，表面光滑。 缺点：锥角小(<10),通光低,易碎。
化学腐蚀：
优点：制备快，锥角大20-30，通光效率高 缺点：HF有毒，表面性质难控
Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit
Eric Betzig and Jay K. Trautman
Science 10 July 1992: Vol. 257. no. 5067, pp. 189 - 195