04-扫描近场光学显微镜

04扫描近场光学显微镜ScanningNear-fieldOpticalMicroscopy(SNOM)近场扫描光学显微镜Near-fieldscanningopticalmicroscopy(NSOM)NSOMofVertical-CavitySurface-EmittingLasers.30um.本章内容•发展历史•SNOM原理•SNOM结构•SNOM探针(基本构造，制备方法)•SNOM的工作模式和衬度(成像)类型•针尖-样品间距的控制•SNOM与Raman显微镜集成•非孔径类(无孔)SNOM•SNOM应用SNOM简介•扫描近场光学显微镜(scanningnear-fieldopticalmicroscopy,SNOM)，也称为近场扫描光学显微镜(near-fieldscanningopticalmicroscopy,NSOM)，能在纳米尺度上探测样品的光学信息，打破了长久以来经典(或远场)光学显微镜理论分辨率的阿贝衍射极限，将光学分辨率提高了几十甚至上百倍。且纵向分辨率优于横向分辨率，能够得到清晰的三维图像，以及局域荧光、偏振、折射率、光吸收率、光谱等信息。•之所以将其归入SPM一类，是因为SNOM实现突破分辨率衍射极限的关键在于其所用的与STM和AFM相同的扫描技术。•与普通光学显微镜(OM)相比，SNOM明显的不同之处在于：–照明光源的尺度和照明方法不同。普通OM用扩展光源在远场照明样品，SNOM用纳米局域光源在纳米尺度的近场距离内照明样品(SNOM的样品照明和样品信号收集两者必须至少有一个在近场区域，而普通OM的两者都工作在远场)。–工作方式不同。普通OM采用“整体”照明“整体”成像的工作方式，而SNOM采用“逐点”扫描照明“整体”成像的工作方式。–成像方法不同。普通OM用肉眼(或照相机、摄像机等)直接观察(或接收)放大了的物体图像，而在SNOM中，由显微物镜放大并经光电倍增管接收的来自样品的局域光信号不能直接形成图像，必须用扫描技术使局域光源逐点扫描照明样品，由光电接收器接收光信号，再借助计算机把来自样品各点的局域光信号转换成样品图像。发展历史•1928年，英国辛格(E.H.Synge)就在爱因斯坦帮助下提出了SNOM的构想，但在其论文[Phil.Mag.6,356,(1928)]中也指出，要实现这一构想必须解决三个技术难点：–照明光源必须非常强；–制造出孔径达10nm量级的小孔；–小孔和样品之间距离至少要能做到纳米级的调节，样品的水平移动要能做到10nm量级的移动。•1932年，Synge'salternativeidea:insteadoftheaperture-pointlightsource•1950年，R.J.Moon通过扫描一个针孔得到了物体的显微图像。•20世纪60年代，激光器发明，解决了Synge提出的第一个技术难题-强光源。•1972年，E.A.Ash和G.Nichols研制成功工作在微波区域的近场显微镜-扫描近场微波显微镜(scanningnear-fieldmicrowavemicroscope)，用3cm的微波获得λ/60的分辨率，历史上第一个制造出突破分辨率衍射极限的显微镜。成功得益于厘米波长，小孔和小孔至样品间距的尺度只需控制在毫米量级。•1981年，G.Binnig和H.Rohrer发明STM，解决了Synge提出的第三个难题-纳米级的扫描。•1984年，发明STM的IBM苏黎世实验室D.W.Pohl等人解决了Synge的第二个技术困难-微孔探针的制造，在实心石英棍端面制备出纳米透光小孔，制成第一台SNOM，分辨极限可达λ/20，首次突破因衍射效应所导致的光学显微镜的分辨极限。但在探针性能和探针-样品间距的监控方面还存在困难，难以推广和应用。•1986年，美国康奈尔大学A.Harootanian和E.Betzig等人制成玻璃中空微导管探针。用玻璃毛细管作导波管，把毛细管一头拉制成针状作探头，分辨率达到150nm。•1989年，R.C.Reddick等人研制成另一类突破分辨率衍射极限的OM-光子扫描隧道显微镜(photonscanningtunnelingmicroscope,PSTM)，分辨率200nm。•1991~1992年间，贝尔实验室E.Betzig等人改进SNOM：用单模光纤代替玻璃毛细管作为SNOM探针；采用激光探测针尖和样品间切变力变化，并利用该切变力变化进行反馈控制，方便地解决了监测和控制针尖至样品表面之间距离至纳米量级的问题。•1993年10月，美国TopoMetrix公司推出商品名“Aurora”的SNOM，观测到直径18nm的棒状烟草病毒的像。•国内SNOM研究始于20世纪90年代初。1994年中科院电子显微镜实验室和大连理工大学合作研制成我国首台SNOM，横向分辨优于10nm，纵向分辨优于1nm。Previouslydevelopedhigh-resolutiontechniques,suchasscanningelectronmicroscopy,transmissionelectronmicroscopy,scanningtunnelingmicroscopy,andatomicforcemicroscopy,donotbenefitfromthewidearrayofcontrastmechanismsavailabletoopticalmicroscopy,andinmostcases,arelimitedtothestudyofspecimensurfacesonly.Asidefromtheavailablecontrast-enhancingtechniquesofstaining,fluorescence,polarization,phasecontrast,anddifferentialinterferencecontrast,opticalmethodshaveinherentspectroscopicandtemporalresolutioncapabilities.Synge'soriginalproposalWorkfromE.A.AshandG.NicholsSNOM原理Thewave-likenatureoflightcausesittodiffract,whichlimitsthespatialresolutionofamicroscope.Undercertainassumptions,theminimumdetectableseparationoftwolightscatterersforagivenopticalsystemistheRayleighCriterion.Thislimitstraditionallight-microscopytoaresolutionof200-300nm,atbest,withtheexceptionofcuttingedgephotolithographicsystemswhose100nmresolutionisachievedbyusingvacuumultravioletlight.Thereareothertechniquesavailabletoextendresolution,butbyandlarge,thisiswhatispossible.分辨率仅由孔径和探针-样品间距决定Aperturescanningnear-fieldmicroscopyisatechniquethatallowsforarbitrarilysmalldetailstoberesolved.Itworksbyscanningasmallapertureovertheobject.Lightcanonlypassthroughtheaperture,andsothissizedeterminestheresolutionofthesystem.Thistechniqueistypicallyimplementedbytaperingafiberoptictoanarrowpointandcoatingallbutthetipwithmetal.Bythismethod,imageswithresolutionfarbeyondwhatispossiblewithtraditionalmicroscopycanberecorded.SNOM原理•设在z=0平面上，一个复杂的场分布为U0(x,y,0),由于衍射及其传播，在距离为z的位置上，新的场分布为U0(x,y,z)。由傅里叶光学原理，U0(x,y,0)可以写成其频谱函数G0(fx,fy)的傅氏逆变换：•此方程的一个特解为z=0时的频谱函数G0(fx,fy),于是方程的解Gz(fx,fy)可写作：00(,,0)(,)exp[2()](10.1)xyxyxyUxyGffixfyfdfdf00(,)(,,0)exp[2()](10.2)xyxyxyGffUxyixfyfdfdffx,fy为空间频率，傅里叶空间中高的空间频率对应于实空间小的间距。•距离源为z处的场分布，即经过扰动后的源的分布U可表示为：•在所有无源的点上，U必须满足亥姆霍兹(Helmholtz)方程(,,)(,)exp[2()](10.3)zxyxyxyUxyzGffixfyfdfdf222222220(10.4)xyzUkUkkkkｋ为波矢•(10.3)代入(10.4):222222(,)()[1()()](,)0(10.5)zxyxyzxyzdGffffGffd2202(,)(,)exp[1()()](10.6)zxyxyxyiGffGffffz•SNOM高分辨成像的关键在于引入近场的概念。•由Maxwell电磁场理论，物体内部的电荷，电流的振荡会引起电磁场的变化，因而能够从物体表面向自由空间传播。原子可以看作是一个偶极子，而众多原子构成的宏观或复杂物体可看成是许多偶极子的集合。•理论研究表明，在原子附近总是存在一个有别于远场特性的所谓‘近场’，它是局域在偶极子(原子)附近空间和分布在一个波长范围内的隐失场(evanescentfiled)，是一个没有能量向外传输的准静电场，即非辐射场。•物体的精细结构或空间起伏以及干涉场或衍射场等随空间变化的物理现象，最终总可用空间周期性变化的函数来进行描述。空间周期和频率的大小分别反映物理量空间变化的大小和高低。空间频率的‘高’或‘低’就能反映出物体的‘精细’或‘粗糙’结构。•从连续性原理考虑，物体表面的空间场分布应能反映物体表面的场密度和电流分布，这样就把对物体结构的分析转换为对其表面场分布的分析。SNOM原理2202(,)(,)exp[1()()](10.6)zxyxyxyiGffGffffz•若(λfx)2+(λfy)21：指数部分为虚数，这样，频谱函数的每一分量都可以由样品向探测器传播，而其相位也随之变化。也即：在位于z=0处的空间频率中，相当于低空间频率的传播波，对应于物体中较大的尺度。•若(λfx)2+(λfy)21：指数部分为实数。其振幅随着z的增加而指数衰减，且高空间频率的分量对应于物体中的小的尺度。这种波具有随着离开物体的距离增大而迅速衰减的特点，因而称之为隐失波。作为衡量这一衰减区域的量—衰减长度d定义为：2202(,)(,)exp[()()1](10.7)zxyxyxyGffGffffz2212()()1(10.8)xyffd•高阶的衍射波具有较短的d值，d的量值与波长相当。物体中细微结构的信息不能传递到远场去，而是被限制在物体表面一个探测光波长的区域内，这个区域称为近场区域。由隐失波构成的非传播场可表达为：(,,,)(,,)exp[()]exp()exp()(10.9)xyzUxyztAxyzixkykitd式中A是场在点(x,y,z)处的振幅；exp[