扫描切变力近场光学显微镜研制及应用.pdfVIP

第 22 卷 第 3 期 2003 年 6 月 电 子 显 微 学 报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society Vol 22 ， No.3 2003 6 文章编号： 1000 6281 （ 2003 ） 03 0229 05 扫描切变力 / 近场光学显微镜研制及应用 商广义1，王 琛1，万立骏1，杨德亮1，白春礼1，吴浚翰2，雷贺宁3， Troyon M 3 （ 1 中国科学院化学研究所分子科学中心，北京 100080 ； 2 本原纳米仪器有限公司，北京 100080 ； 3 法国兰斯大学理学院） 摘 要：在发展光纤探针制备和探针与样品近场间距非光学控制等关键技术基础上，我们研制成能与倒置光学显 微镜联合使用的扫描切变力 / 近场光学显微镜，并具有反射和透射等工作模式以及能在溶液环境中工作。利用这 套系统，获得了多种样品的表面形貌和近场光学图像以及细胞内的荧光光谱。本文将对该系统和有关实验结果作 简要介绍。 关键词：光纤探针；探针与样品近场间距控制；扫描切变力 / 近场光学显微镜 中图分类号： TH742 ； TN16 文献标识码： A 收稿日期： 2003-03-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ No06 ） 作者简介：商广义（ 1959 ），男（汉族），北京人，副研究员 . 扫描近场光学显微镜（ scanning near-field optical microscope ， SNOM ）［1］是 20 世纪 80 年代以来发展起 来的新型光学显微仪器。 SNOM 不仅继承了传统远 场光学显微镜的优势，而且突破了光的衍射效应的 限制，使分辨率拓展到光波长的几分之一甚至十几 分之一，即纳米尺度，实现了在纳米尺度上的光学显 微成像。它在物理、化学、材料、信息及生物等领域 具有广阔的应用前景。 据我们所知，目前国外虽已出现了几种商品化 的扫描近场光学显微镜，但这些仪器一般在大气条 件下工作。由于不同领域研究需求的差别和技术上 的难度，用于特殊环境下如：真空、低温及溶液中的 SNOM 基本上还停留在实验室自行研制阶段。因 此，结合我们开展的工作，自行研制近场光学显微镜 是完全必要的。 就技术而言，扫描近场光学显微镜是集光学、精 密机械、电子及计算机软硬技术为一体的现代光学 显微仪器，所涉及的问题比 STM 和 AFM 更多，系统 更复杂，研制难度更大。除了要解决研制 STM 和 AFM 时所遇到的问题外，关键是要解决近场光学探 测问题。几年来，我们在国家自然科学基金支持下， 开展了 SNOM 的研制工作。目前已建成能与倒置光 学显微镜联合使用，具有多种模式并能在溶液环境 中工作的扫描切变力 / 近场光学显微镜，可同时获取 样品表面形貌和近场光学图像，并开展了应用探索。 本文将对这些工作进行简要介绍。 1 仪器研制 “近场”一词是相对于“远场”而言的，其本身是 一个空间概念，一般指距辐射源或物体表面的距离 ! 远小于辐射波长 ! （即 ! !! ）的区域。在这一区 域内，存在依附于物体表面并随 ! 增大而迅速衰减 的隐失场。由于隐失场与物体表面远小于波长的精 细结构有关，因此探测隐失场就有望获得有关物体 表面精细结构的信息。要实现近场区域隐失场的高 分辨探测必须首先解决光学探针和探针与样品近场 间距控制等关键问题。 光学探针是 SNOM 中将隐失场转换为传播场必 不可少的重要部件，也是倍受 SNOM 研究人员关注 的首要问题。光纤探针在目前 SNOM 中应用得最为 广泛，其制备方法主要有两种：加热拉伸法［2］和化学 腐蚀法［3，4］。原则上探针尺寸越小，近场探测的分 辨率就越高。但又不可能无限制的小，还要求有尽 可能高的光通量和机械强度。理论计算表明，光通 量主要取决于探针的锥角，锥角在 30 到 50 之间为 最佳［5］。根据现有实验条件，我们采用了腐蚀液上 覆盖有机保护层的方法制备光纤探针。通过对腐蚀 过程中的影响因素如溶液浓度和作为保护层的有机 溶剂以及腐蚀温度和时间的选择及控制，并经过反 复实验，制备出能满足近场探测要求的光纤探针［6］。 图 1 是一个典型的用这种方法制成的光纤探针的 SEM 图像。由图可见，探针的锥角约为 40 ，尖端曲 率半径小于 100 nm 。 图 1 用化学腐蚀法制备的光纤探针的 SEM 图像。 Bar = 20 ! m Fig.1 SEM photography of an opticaI fiber probe fabricated by using chemicaI etching method. Bar = 20 ! m 将光纤探针稳定地控制在样品表面的近场区域 是实现隐失场探测的关键。在 SNOM