多功能掃描探針顯微鏡的研制和應(yīng)用.pdf

1、掃描探針顯微鏡是近二十幾年發(fā)展起來(lái)的一種納米分辨的成像分析儀器，它利用細(xì)小的掃描探針來(lái)探測(cè)樣品表面的細(xì)微信息，突破了常規(guī)光學(xué)顯微鏡衍射極限的限制，可對(duì)樣品表面納米尺度信息進(jìn)行掃描成像，是納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展中重要的測(cè)量工具。 該文的主要是多功能掃描探針顯微鏡(即原子力與光子掃描隧道組合顯微鏡(AF/PSTM)和原子力與反射式掃描近場(chǎng)光學(xué)組合顯微鏡(AF/RSNOM))的研制和應(yīng)用。 論文內(nèi)容主要分為五個(gè)部分。 第一部

2、分是有關(guān)顯微鏡的歷史進(jìn)展及其原理和應(yīng)用，從顯微鏡的應(yīng)用著手，簡(jiǎn)要介紹了從普通顯微鏡到掃描探針顯微鏡的發(fā)展過程和各種顯微鏡的特點(diǎn)，并介紹了掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的工作原理，然后著重介紹了近場(chǎng)光學(xué)成像的原理和近場(chǎng)光學(xué)的探測(cè)方法，并比較了各種探測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。在對(duì)比了目前唯一的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡商品——小孔徑掃描探針顯微鏡(A-SNOM)和光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)之后，提出發(fā)展PSTM的優(yōu)勢(shì)，這是課題的起始緣由

3、。 第二部分介紹了近場(chǎng)光學(xué)的理論研究方法，從宏觀近場(chǎng)光學(xué)理論開始，介紹了麥克斯韋方程和邊界條件方法、應(yīng)用于小起伏樣品的微擾近似方法、適合于局域變化大的多極子展開法和適合于模擬幾何空間尺寸在幾個(gè)波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的時(shí)域有限差分法。在介觀和微觀近場(chǎng)光學(xué)理論中，則介紹了以散射理論為基礎(chǔ)的格林函數(shù)方法和極化率方法，它們雖然避免了邊界條件的求解問題，但也只有簡(jiǎn)單系統(tǒng)的格林并矢才比較容易求出其解析解的形式。這些理論方法是近場(chǎng)光學(xué)理論研究的基礎(chǔ)。

4、 第三部分詳細(xì)介紹了原子力與光子掃描隧道組合顯微鏡(AF/PSTM)的研制過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因?yàn)橐话愕腜STM系統(tǒng)的光學(xué)圖像中存在假像，因此在詳細(xì)介紹了消假像理論的基礎(chǔ)上開展了AF/PSTM的研制工作。從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求開始，逐步介紹了AF/PSTM的主機(jī)設(shè)計(jì)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、處理軟件設(shè)計(jì)和AF/PSTM的主要部件如彎光纖探針和掃描壓電陶瓷的設(shè)計(jì)，并介紹了易于調(diào)節(jié)的非相干、p偏振光對(duì)稱照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和掃描圖像的采集及圖像的物理意義。其

5、中為實(shí)現(xiàn)非相干、p偏振光對(duì)稱照明，設(shè)計(jì)了提高p波偏振度的全內(nèi)反射樣品臺(tái)，兩個(gè)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的偏振光從對(duì)稱方向以布儒斯特角在水平方向入射，然后在樣品上方同一個(gè)位置發(fā)生全內(nèi)反射。采用水平方向入射解決了全內(nèi)反射對(duì)稱照明光束的調(diào)整難題，同時(shí)，采用兩個(gè)激光器可以實(shí)現(xiàn)非相干光照明，使得光學(xué)圖像不受干涉條紋的影響，保證了光學(xué)圖像的質(zhì)量。在儀器研制成功后對(duì)儀器的功能進(jìn)行了考核和大量實(shí)驗(yàn)。并將AF/PSTM掃描成像技術(shù)應(yīng)用于納米燃油添加劑的檢測(cè)之中，得

6、到了與實(shí)際測(cè)試一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明AF/PSTM掃描成像技術(shù)有可能成為納米燃油添加劑的一種檢測(cè)手段，從而節(jié)省高昂的測(cè)試費(fèi)用；此外，還將AF/PSTM技術(shù)應(yīng)用于免疫復(fù)合物的檢測(cè)之中，得到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 第四部分是輕敲模式的原子力與反射式掃描近場(chǎng)光學(xué)組合顯微鏡(AF/RSNOM)的研制和應(yīng)用，它是在AF/PSTM的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的。首先分析了現(xiàn)有的反射式光學(xué)顯微鏡(RSNOM)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面的分析中上提出研制AF/RSN

7、OM的意義。在介紹了AF/RSNOM的工作原理和圖像采集之后給出了的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 文章的最后一部分是總結(jié)和展望，提出了該課題存在的問題和發(fā)展的方向。 論文的研究結(jié)果表明： ●AF/PSTM達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，即可以獲得超衍射極限的分辨率、同時(shí)獲得樣品的AFM圖像和光學(xué)圖像、消除了不對(duì)稱照明引起的光學(xué)假像、可以應(yīng)用于多種樣品的檢測(cè)中，在生物醫(yī)學(xué)、納米科技等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 ●輕敲模式的AF/RSNOM