光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM相集成的納操作技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、納米操作技術(shù)在納米器件或生物對(duì)象的操作、加工、裝配及測(cè)試中起著關(guān)鍵作用，目前已經(jīng)成為納米技術(shù)中一個(gè)極為重要的研究方向。作為具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與發(fā)展?jié)摿Φ募{米操作工具，激光近場(chǎng)光鑷與原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）近年來在納米操作領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。考慮到納米操作多功能化發(fā)展的趨勢(shì)，將激光近場(chǎng)光鑷與AFM結(jié)合起來，可以給納米操作技術(shù)提供新的途徑。為提高納米操作系統(tǒng)的靈活性，本文研究了光纖探針型近場(chǎng)光鑷與A

2、FM集成納米操作技術(shù)的基礎(chǔ)理論及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。
　　本文分析了激光近場(chǎng)光鑷技術(shù)和AFM納米操作技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，討論了二者的互補(bǔ)性，并在此基礎(chǔ)上提出了一種光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM相集成的納米操作方法。
　　對(duì)激光近場(chǎng)光鑷的理論進(jìn)行了分析，研究了三維時(shí)域有限差分（Three dimensional Finite Difference Time Domain，3D FDTD）方法計(jì)算近場(chǎng)光強(qiáng)的數(shù)值理論，并提出了一種基于三維

3、時(shí)域有限差分法和麥克斯韋應(yīng)力張量的近場(chǎng)光阱力解析方法?；贏FM納米操作中各種作用力的分析，建立了AFM納米操作的作用力計(jì)算模型。
　　從分布圖樣、退極化和偏振性的角度對(duì)光纖探針的近場(chǎng)分布特性進(jìn)行研究，并通過比較不同參數(shù)下近場(chǎng)分布的變化情況，對(duì)光纖探針的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了合理選擇。針對(duì)激光入射下AFM探針尖端的近場(chǎng)增強(qiáng)效果，從探針尖銳度、長(zhǎng)度和形狀方面對(duì)AFM探針的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上對(duì)光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的近場(chǎng)

4、分布進(jìn)行了計(jì)算，并分析了各參量對(duì)近場(chǎng)增強(qiáng)效果的影響。
　　采用基于三維時(shí)域有限差分法和麥克斯韋應(yīng)力張量的解析方法研究了光纖探針型近場(chǎng)光鑷中光阱力的分布情況，并對(duì)操作空間內(nèi)微粒受到的光阱力、范德華力、毛細(xì)管力、布朗運(yùn)動(dòng)力、重力等綜合力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了分析。針對(duì)AFM操作球型納米微粒的情況，對(duì)探針、基底和微粒之間各種力的作用規(guī)律進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上建立了光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針復(fù)合情況下光阱力的計(jì)算模型，從縱向和橫向的角度對(duì)復(fù)合式

5、操作系統(tǒng)中光阱力的分布情況進(jìn)行了分析。通過對(duì)捕獲能力、捕獲尺寸和捕獲位置的分析，界定了光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM集成的納米操作能力。
　　從集成納米操作系統(tǒng)的架構(gòu)、部件等角度出發(fā)對(duì)光纖探針型近場(chǎng)光鑷架構(gòu)及其與AFM探針相復(fù)合的架構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并探索了相關(guān)部件的研制方法。構(gòu)建了光纖探針型近場(chǎng)光鑷系統(tǒng)，并在AFM納米操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作系統(tǒng)，最終建立起了光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM集成

6、納米操作系統(tǒng)。
　　以構(gòu)建聚合物納米結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，對(duì)120nm的聚苯乙烯微粒進(jìn)行了納米操作，并對(duì)集成納米操作系統(tǒng)的操作特性以及近場(chǎng)光阱力的測(cè)量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，光纖探針型近場(chǎng)光鑷能把直徑為激光波長(zhǎng)1/7的納米微粒捕獲至光纖探針尖端，并形成內(nèi)徑與探針孔徑一致的多重圓環(huán)分布；AFM能準(zhǔn)確地對(duì)球型納米微粒進(jìn)行移動(dòng)與排列操作。將光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針復(fù)合后，可以更高效地對(duì)納米微粒進(jìn)行捕獲與移動(dòng)操作，并在基底上形成納米微粒集群，之