第15讲_近场光学-2

• 小样品劣化 • 穿透水层
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Atomic Force Microscopy (AFM)
• 可获得拓扑图样. • 探针:
- 单晶硅 - 微加工制备高Q值悬臂 - 各种用途的不同形状探针
• 适用于非导电样品和生物样品
Mica (4.5nm×4.5nm)
Sillicon probe
High-aspect ratio probe Mica: 云母
2.我们可以用SNOM做些什么？——特征描述

拓扑图像 & 强度
• SPP field
Optical image Topography Optical image
SPPfocusing field
Optical image
Topography
Optical image
Topography
Ag nanoparticals, Prof. Xu in CAS & Hillenbrand in MPI
蝴蝶结孔径阵列
J. Heat Transfer 129: 37 (2007)
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钨探针
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激光直接成型(Laser Direct Structuring)；
platinum: 铂；tungsten: 钨
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1.扫描探针显微镜- SPM 家族

Atomic Force Microscopy (AFM)
Gerd Binning
First AFM, 1986
AFM 是为非导电样品发明的
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研究生课程
纳米光学
(Nano-Optics)
第15讲: 近场光学 (II)
董国艳
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
上讲内容… 近场光学 k x k ，kz i |kz| 倏逝场 （包含突破衍射极限的信息） 近场探测 基本原理：倏逝场&传播场 关键问题：小尺寸的物体&近场检测 扫描近场光学显微镜
结构及工作原理 探头：孔径与无孔径 分离：剪切力反馈控制 工作模式：收集，照明
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本讲内容
1. Scanning Probe Microscopy - SPM 家族
-Scanning Tunnelling Microscopy (STM)
-Atomic Force Microscopy (AFM)
"What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a
small scale...What I have demonstrated is that there is room - that you can decrease the size of things in a practical way...But I am not afraid to consider the final question as to whether ultimately in the great future - we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?"
Probe
Feedback
Sample 可以得到两个信号，即 z-坐标 (高度)和隧穿电流
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3. 隧穿电流可以用于控制尖端样品间的距离 定电流取像法 定高度取像法

Scanning Tunnelling Microscopy (STM)
•定电流取像法:
反馈控制系统改变尖端的高度 来保证扫描过程中隧穿电流为 常数，尖端高度示意图给出了 样品的形貌图（拓扑）
Raman/Fluorescence excitation & collection
增强尖端位臵的入射电场，产生局部光子源，与样品相互作用，激发出响应光谱。
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其他成员
Scanning probe microscopy STM AFM SNOM MFM EFM SThM LFM SCM 18 Scanning Tunnelling Microscopy Atomic Force Microscopy Scanning Near-field Optical Microscopy Magnetic Force Microscopy Electrostatic Force Microscopy Scanning Thermal Microscopy Lateral Force Microscopy Scanning Capacitance Microscopy Interaction
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无孔或散射式SNOM •可以通过添加光激发和散射收集路径 通过AFM和STM直接实现。 •与AFM和STM相同的分辨率。 •具有大入射功率的较强的散射信号。
Annu. Rev. Phys. Chem. 57:303 (2006)
XYZ scanning AFM/STM probe Raman/Fluorescence excitation & collection TERS excitation & collection AFM/STM probe
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1.扫描探针显微镜- SPM 家族
Scanning Tunnelling Microscopy (STM)
1. 在距离足够小(<1nm)时尖端
Scanner
X, Y Z Control system
和样品之间存在的隧穿电流.
2. 当尖端-样品间距离每改变0.1nm 隧穿电流将以数量级衰减。
隧穿电流 原子力 近场光 磁力 静电力 热度 侧向力 电容
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与电子显微镜的比较
•电子显微镜: -Scanning electron microscope (SEM): 接收散射的次级电子; 表面特征描述 -Transmission electron microscop (TEM): 接收透射电子;内部结构特征描述 •样品& 环境要求: -电子显微镜:导电样品、真空 -AFM:非导电和生物样品、周围压力、液体
•涵盖横向从几100μm至100pm的成像范围。 •可以进行单个原子或分子的局部实验。 •单个化学键合或单分子光学光谱的测量都可以处理。 •局域探针可以用来操纵单个原子或分子,因此可在原子尺度上制备人 工结构。 •SPM的起点是G.Binning和H.Rohrer在1982年发明的扫描隧道显微镜 (STM) •STM的第一、也是最重要的扩展是Binning, Quate和Gerber在1986年发 明的原子力显微镜(AFM) •第三个杰出SPM家族成员是扫描近场光学显微镜(SNOM)。

拓扑图像 & 场强
• 有机材料
• 生物材料
Topographic Image
Optical Image
Optical Image Optical Image DNA Blood cell Prof. Wang in Seiko
油珠, IBM Topographic Image Optical Image
•低维材料
乳胶珠, Prof. Wang in Tsinghua University
Topography Optical image Quantum dots on GaAs
http://www.ntmdt.com
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2.我们可以用SNOM做些什么？——特征描述

拓扑图像 & 场强
Topography
• 探针尖端:
- platinum铂, tungsten钨 -机械切割,电化学蚀刻 -尖端的形状总是复杂Байду номын сангаас图像 •在大多数情况下需要导电样品
Iron on Copper (111) Carbon Monoxide on Platinum (111)
LDS of Cu(111)
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/stm.htm
• 纳米结构
Optical image Topography Optical image
Au rods, Prof. Shalaev's group internal to Purdue University
Au Fischer PS on Si surface
Phys. Rev. Lett. 85: 3029 (2000)
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Atomic Force Microscopy (AFM)
•接触模式:
-尖端接触样品表面. -很容易得到原子级分辨率. - 排斥力起作用. - 柔软的样品会被损坏.
恒力扫描
恒高扫描
适用于具
有起伏曲 面的样品
Z
适用于界面
平整的样品 可获得高分 辨率
F
扫描速度 相对较低
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Atomic Force Microscopy (AFM)
Calvin Quate Christoph Gerber
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Atomic Force Microscopy (AFM)
Positionsensitive photodiode detector
Mirror Laser
Feedback
1.在相应的范围内尖端和样品 表面的原子之间存在吸引力或 排斥力 2.力敏感探针尖端在扫描过程
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1.扫描探针显微镜- SPM 家族

Scanning Tunnelling Microscopy (STM)
First STM, 1982
Heinrich Rohrer & Gerd Binning, 1986 Nobel Prize
隧穿效应使看到原子成为可能!
Si(111) 7×7 image
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-无孔或散射型SNOM -其他成员 -与电子显微镜的比较
2.
我们能利用SNOM做些什么?
-特征描述 (形貌图, 强度, 相位 & 振幅, 极化 & 矢量, 磁场, 动力学) -光谱学 (模态分析, 光致发光PL, 荧光, 拉曼) -光刻 (超高密度数据存储, 纳米刻蚀) -操纵
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1.扫描探针显微镜Scanning Probe Microscopy - SPM 家族
STM/AFM 可用作无孔径SNOM
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2.我们可以用SNOM做些什么？——特征描述
特征描述
•纳米光子器件 •生命科学 •测量学 •材料学
光谱学
•生命科学 •化学 •材料学 •物理学
SNOM & 相关技术 光刻技术
•微加工 •信息
操作
•生命科学 •物理学
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2.我们可以用SNOM做些什么？——特征描述
•非接触式:
-尖端-样品间距为 1-100nm. -范德华力作用. -需要相应的调制技术.
• 不损坏样品和尖端 • 分辨率低
激光检测原子力显微镜探针工作示意图 14
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Atomic Force Microscopy (AFM)
• 敲击式:
-尖端轻敲样品表面.
-敲击振幅通过尖端和样品表面间的 力来控制 -通过测量振幅变化给出拓扑图信息
Richard P. Feynman, "There is a plenty of room at the bottom", CALTEC, 1959
扫描探针显微镜的发明为具有巨大差距的宏观世界和操纵单原子 之间架起了一座直达的桥梁
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1.扫描探针显微镜- SPM 家族

Scanning Probe Microscopy (SPM)
Cantilever Sample
Tip
Control system
中由于力作用将发生扭曲形变。
3. 扭转变形量通过光杠杆的方
Scanner
Image
法测量并用于控制尖端-样品的 距离。
工作模式: 接触式，非接触式，敲击式
Cantilever: 悬臂；repulsive force: 斥力；torsional deflection: 扭曲形变；optical lever: 光杠杆 12
可用来追踪不平滑的原子级界面
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topography: 形貌
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Scanning Tunnelling Microscopy (STM)
•定高度取像法:
反馈控制系统保持恒定的尖端 高度，扫描过程中隧穿电流被 检测，给出拓扑图
因为电子响应可以用来快速扫描
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Scanning Tunnelling Microscopy (STM)