光學顯微技術(shù)結(jié)課論文

1、護山丈曇光學顯微技術(shù)結(jié)課論文題目：光子掃描隧道顯微技術(shù)在光電成像系統(tǒng)中的應(yīng)用學院（系）：理學院年級專業(yè)：10級電子班 學 號：100108040008學生姓名：張營指導(dǎo)教師：孫偉教師職稱：講師光子掃描隧道顯微技術(shù)在光電成像系統(tǒng)中的應(yīng)用張營理學院10級電子信息科學與技術(shù)（1）班摘要：木文通過電子隧道效應(yīng)理論和光子隧道效應(yīng)理論的對比，內(nèi)全反射（tir）棱鏡表而成指數(shù)衰減 規(guī)律消逝場的分析，敘述了一種新型的光子掃描隧道顯微技術(shù)（pstm）及其在光電成像系統(tǒng)中的應(yīng)川。將被分析的樣品置于棱鏡表面，它便會空間上調(diào)制上述消逝場，通過對被調(diào)制消逝場的檢測、分析，獲 得遠小于光波波長的空間分辯能力，進而可以得到

2、高分辨率、淸晰度的樣品表血形貌圖。本文還利用 pstm的系統(tǒng)框圖敘述了光子掃描隧道顯微技術(shù)在光電成像系統(tǒng)中的工作原理，簡要介紹了 pstm系統(tǒng) 的光纖探針、機械調(diào)節(jié)裝置、三維掃描控制器件和微機控制系統(tǒng)等幾大重要結(jié)構(gòu)部件及其分別對樣品成 像質(zhì)量好壞的重要影響。關(guān)鍵字：光子隧道效應(yīng)；光子掃描隧道顯微鏡；光纖探針；光電成像系統(tǒng)keywords： photon tunneling effect; photon scanning tunneling microscopy ; the optical fiber probe ;photoelectric imaging system引言1982年，電子掃描

3、隧道顯微鏡（stm ）的出現(xiàn)，使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原 子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學性質(zhì)。利用對光子隧道效應(yīng) 進行檢測而產(chǎn)生的光子掃描隧道顯微技術(shù)是近些年來才出現(xiàn)的一種新型的菲接觸式顯微技 術(shù)。1=1前研制的光子掃描隧道顯微鏡（pstm）在結(jié)構(gòu)上與stm類似，制作簡單，能獲得 高分辨率、清晰度的物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)。但pstm相對于stm具有可用于電解質(zhì)和絕緣體等不 導(dǎo)電樣品表而的觀測，可進行表而三維立體成像和不需耍真空t作條件，成本、維護費用 均很低等優(yōu)點。因此，pstm在光學領(lǐng)域、材料表面科學等領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用前景。冃前 國際上己經(jīng)展開了 pstm技術(shù)在多領(lǐng)域、

4、多方面的應(yīng)用，本次課題主要研究pstm技術(shù)在光電成像系統(tǒng)中的t作原理及應(yīng)用。1電子掃描隧道顯微技術(shù) 1.1隧道效應(yīng)對于經(jīng)典物理學來說，當粒子的動能e低于前方勢壘高度時，它不可能越此勢壘，即透 射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學的計算，在一般情況下，其透射系數(shù)不 等于零，也就是說，粒子可以穿過比它的能量更高的勢壘，這就是隧道效應(yīng)。根據(jù)量子力學 的波動理論，粒子穿過勢壘的透射系數(shù)t = 16e(7o-e) cvj2m(vo-e) o2由此可見，透射系數(shù)t與勢壘髙度°、能量差(v°e)以及粒子的質(zhì)量加有著很敏感的依賴關(guān)系， 隨著q的增加，刃各指數(shù)哀減。1.2電子隧道效

5、應(yīng)及stm成像原理stm成像技術(shù)就是基于量子力學屮的隧道效應(yīng)與原理，通過探測同體表而原子屮的電子 的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。根據(jù)量子力學理論，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)， 電子云密度并不是在表面邊界處突變?yōu)榱恪Ｔ诮饘俦砻嬉酝?，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減 長度約為inmo用一個極細的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與樣品的表面作為 兩個電極，當樣品表面與針尖非?？拷?距離vlnm)時，兩者的電子云略有重疊。若在兩極間 加上電壓s，在電場作用下電子就會穿過兩個電極z間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動， 從一極流向另一極，形成隧道電流i。隧道電

6、流/的犬小與針尖和樣品間的距離s以及樣品表 面平均勢壘的高度a有關(guān)，其關(guān)系式為： 1i oc vbexp-a(p2s)(2) 2由此可見，隧道電流1對針尖與樣品表而z間的距離s極為敏感，如果s減小0.1 nm，隧 道電流就會增加一個數(shù)量級。當針尖在樣品表面上方掃描時，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過具隧道電流顯示出來。借助電子儀器和計算機，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌圖。2光子掃描隧道顯微技術(shù) 2.1光子隧道效應(yīng)如圖1所示，當光波從電介質(zhì)材料71通過界面進人電介質(zhì)材料九2時，設(shè)心 >巾，根據(jù)折射定理，當人射角血，增加到一定程度，就有sm02=>l,此時，就不是一個實 九2數(shù)

7、，而是一個復(fù)數(shù)，相應(yīng)地就會在介面上發(fā)生內(nèi)部全反射。這時，根據(jù)物理光學的理論，在介而上，巾介質(zhì)屮就會產(chǎn)生指數(shù)衰減的消逝場，即消逝場場強/的關(guān)系式為1i ocsino n22)2(3)其中=年,0/為人射角，z為等幅面常數(shù)。人根據(jù)理論推算，我們可求出這一消逝場的穿人深度小于n個光波長，即在可見光波長數(shù)量 級。由此我們可以得出，當發(fā)生內(nèi)部全反射時，沿z方向會產(chǎn)生在波長量級內(nèi)迅速衰減掉的消 逝場。當?shù)谌齻€介質(zhì)心十分接近心與血的界面，且n3 >n2,那么雖然光波在第一個界面上會 產(chǎn)生全反射，但由于第二個界面的存在，并在這二個界面的距離足夠小時(在消逝范圍內(nèi)),全反射受到抑制，我們稱此現(xiàn)象為“受抑全

8、反射” (ftr),如圖2所示。圖2受抑全反射現(xiàn)象示意圖由于ftr與屋子力學中的穿透勢壘的電子隧道效應(yīng)極為相似，所以，可以用光子隧道概念論述ftr，此時光子(消逝場)可以穿過介質(zhì)心而進人介質(zhì)巾，如圖3所示。(b)圖3 q)電子與勢壘的相互作丿ij示意圖(b)光子雙界面相互作川示意圖2.2 pstm成像原理雖然pstm在功能結(jié)構(gòu)上與stm有諸多相近z處，但兩者的成像原理具有本質(zhì)上的區(qū)別。pstm成像技術(shù)就是基于上述光子隧道理論而建立起來的，如圖4所示，當一束光在棱鏡？2內(nèi) 以大于臨界角的角度0/人射時，則在棱鏡介而上會發(fā)生內(nèi)部全反射。將一折射率大于心的光纖探針陽非常接近樣品表面且在消逝場范用(光

9、波長量級)內(nèi)， 則會產(chǎn)生光子隧道效應(yīng)，且由公式(3)可知，場強/與光纖探針離棱鏡表面的距離z的增人成 指數(shù)衰減關(guān)系。當在棱鏡表面鍍上一層樣品膜時，消逝場因受到樣品膜表面形狀起伏不同的第4頁共9頁調(diào)制而發(fā)生相應(yīng)的變化，即消逝場的場分布包含有樣品的表面起伏信息。所以，當探針在樣 品表面掃描時，就帶有其樣品表面特征信息。當光纖探針在樣晶表面進行橫向二維掃描時， 由于場強/帶有樣品表面起伏（即縱向）信息，我們就可觀測到樣品的三維顯微形貌圖。圖4 pstm的成像原理示意圖3 pstm系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.1整體結(jié)構(gòu)光子掃描隧道顯微鏡在光電成像系統(tǒng)應(yīng)用中，包括探針的制備、機械調(diào)節(jié)裝置、三維掃 描控制器件、光路設(shè)計等

10、內(nèi)容。光子掃描隧道顯微鏡的系統(tǒng)框圖，如圖5所示。pstm有兩種t作模式，一是使探針維持在一定的高度z沿表而掃描，稱為等高度模式; 另一種是采用反饋電路，調(diào)節(jié)探針高度乙使場強/保持不變，稱為等光強模式。木次課題介 紹的是等光強模式的pstm,用hene激光器輸出波氏為632.8nm的激光，以滿足全內(nèi)反射的 條件入射，在樣品表面形成光斑，產(chǎn)生消逝場。光纖探針固定在壓電陶瓷管上，附加縱向電 壓，陶瓷管可以縱向伸縮，電動調(diào)整光纖探針與樣品之間的距離。陶瓷管、棱鏡工作臺、樣 品均固定在工作臺上，整個工作臺乂固定在雙目顯微鏡的觀察臺上。由可變焦的光學顯微鏡 來監(jiān)視整個實驗成像操作。將光纖探頭接受的信號經(jīng)光

11、纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器件，再輸入至前 置電路，然后接入掃描控制箱，根據(jù)所定的閾值電壓，控制尖端做等幅度掃面，為保持等幅度掃描而做的反饋調(diào)節(jié)便可作為圖像數(shù)據(jù)由微機系統(tǒng)控制采集，并進行數(shù)據(jù)處理，然后在圖像終端上以灰度調(diào)制的頂視圖來顯示三維立體圖像，得到比較直觀的樣品表面形貌圖。電路與光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換微機系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換廠z/尢纖棵針存上示波器x. y掃描樣品jy圖5 pstm系統(tǒng)框圖-j壓電醐瓷件光電成像系統(tǒng)l微機系統(tǒng)光電成像系統(tǒng)廠樣品osiseffix3. 2重要部件光纖探針是pstm區(qū)別t-stm和其他顯微儀器的重耍標志，也是pstm系統(tǒng)本身極為重耍 的部件，因此，光纖探針的制備是整個pstm系統(tǒng)中一

12、個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到整個 實驗系統(tǒng)的分辨率，以致最終成像質(zhì)量的好壞。要使pstm的分辨率提高就必須使光纖探針的針尖足夠細，1=1前光纖探頭加工工藝主要采 用化學腐蝕法，即用氫氟酸來腐蝕光纖，使光纖的一端腐蝕出很細的探針尖（用此方法可腐蝕 岀直徑為150nm的針尖）,而另一端連接于光電倍增管上進行光電轉(zhuǎn)換。為了檢測到消逝場迅速指數(shù)衰減的微弱光，則必須將探針尖調(diào)節(jié)到罪常接近樣品表而的 地方，可以利用厚度不同的簧片的剛度差來實現(xiàn)這一機械微調(diào)，調(diào)節(jié)范圍100gm-500mo出于儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用普通機械的控制是很難達到這 一耍求的。冃前普遍使用壓電陶瓷材料作為三維

13、掃描控制器件。壓電陶瓷利用了壓電現(xiàn)象，第6頁共9頁 即指給晶體加一電場時晶體會產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象。在壓電陶瓷管的各個電極上加電壓，固 定在壓電陶瓷管的光纖探針就會進行三個方向的微動，從而實現(xiàn)了橫向掃描及反饋控制縱向 高度的功能。pstm是一個納米級的隨動系統(tǒng)，因此，微機控制系統(tǒng)也是一個重耍的部分。光子掃描隧 道顯微鏡要用微機控制電機的驅(qū)動，使探針逼近樣品，進入隧道區(qū)，而后不斷采集隧道電流， 在恒電流模式中將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的前進與后退，從而 保持隧道電流的穩(wěn)肚。4總結(jié)與討論pstm成像系統(tǒng)不受一般光學顯微鏡半波長衍射極限的限制，橫向分辨率可達40nm,而 且分辨率

14、只與消逝場的衰減長度及探針的直徑有關(guān)opstm能克服電子掃描隧道顯微鏡不能對 電解質(zhì)或絕緣體表面進行檢測的缺點，能分析金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等各種材料。pstm作為一種八十年代末提岀的，亞波長量級的顯微技術(shù)，在國際上已被越來越多的科 學家所采用，在科學領(lǐng)域上具有廣闊的前景。忖前，有人在stm上研制出pstm,并將二者 結(jié)合起來應(yīng)用到物質(zhì)檢測方面何，也有人研制出分析型pstm,用全反射的哀減場的共振吸收 譜來研究絕緣體表面的性質(zhì)，還有人用來研究光致電流的問題等?？傊?，pstm在近場范 帀內(nèi)檢測光發(fā)射及光的特性是有很大前途的。但由于h前對近場范圍內(nèi)樣品表面的光特性及光子隧道效應(yīng)理論缺乏深入、定量的研究。 所以，對于各種實驗結(jié)果的理論解釋眾說紛紜，無一系統(tǒng)的權(quán)威的理論來指導(dǎo)實驗。因此， 對于理論物理學家冃前的當務(wù)z急是建立一套完整的微觀光子理論，以便進一步指導(dǎo)實驗的 發(fā)展方向。參考文獻1盧卡斯伯特赫克特.納米光學原理，2006； 玻恩 沃爾夫光學原理（上冊）黃樂天等譯科學出版社，1978；3 philip w baumerster , appl. opt. ,1967；4 郭守高松等.光學技術(shù)學報，1994.第3期；5 姚駿恩等.中國科學院.電子顯微學報，198