扫描近场光学显微镜

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)。
扫描近场光学显微镜
汇报人：
主要内容
1. 概述 2. SNOM的发展历史 3. 基本原理及相关技术 4. 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）。
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。
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。
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
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 • Tip-Sample间距的控制 • 不同的SNOM模式
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。
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。
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
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
膜的光纤超微探针制备和针尖－样品间距控制 这两个难题
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。