[發(fā)明專利]一種掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210116669.8
• 申請(qǐng)日: 2012-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN102621351A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘海艦;劉爭(zhēng)暉;徐耿釗;樊英民;徐科
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號(hào): G01Q60/18
• 分類號(hào): G01Q60/18
• 代理公司: 上海翼勝專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 31218
• 代理人: 孫佳胤;翟羽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及顯微成像領(lǐng)域，尤其涉及一種掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。

背景技術(shù)

近場(chǎng)光學(xué)是指光探測(cè)器及探測(cè)器和樣品間距均小于輻射波長(zhǎng)條件下的光學(xué)現(xiàn)象。掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，并不斷快速發(fā)展，是一種新型超高分辨率顯微成像技術(shù)，是掃描探針技術(shù)和光學(xué)顯微技術(shù)相結(jié)合的一種光學(xué)成像領(lǐng)域的新技術(shù)，是近場(chǎng)光學(xué)中的一個(gè)重要組成部分。

在近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡中，傳統(tǒng)光學(xué)儀器的鏡頭被細(xì)小的光學(xué)探針?biāo)妫浼舛说目讖竭h(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)，從而突破了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中存在的光學(xué)成像空間分辨率的衍射極限，達(dá)到了普通光學(xué)顯微鏡無(wú)法達(dá)到的納米數(shù)量級(jí)的空間分辨率。

在實(shí)際應(yīng)用中，處于大氣環(huán)境中的固體表面往往容易吸附各種雜質(zhì)，或和周圍氣體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成表面薄層，如氧化物、硫化物或其它化合物。即使在低真空下，剛剛解理的新鮮固體表面也會(huì)很快吸附上其它原子。因此，為了觀察無(wú)氧化層和吸附層的干凈樣品表面，通常采用將樣品置于超高真空環(huán)境下，利用離子轟擊，退火等多種方法清潔樣品表面，并可長(zhǎng)時(shí)間保持潔凈。所以很有必要在超高真空環(huán)境下使用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。

在超高真空環(huán)境下使用掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡主要涉及兩個(gè)關(guān)鍵問題：針尖-樣品間距離的控制及如何將光纖探針采集到的光學(xué)信號(hào)耦合到真空腔體之外。對(duì)于針尖-樣品間距離的控制，目前商用的原子力顯微鏡大多采用光杠桿控制，即使用一束激光照射在探針懸臂梁上，反射光束偏轉(zhuǎn)用一個(gè)PSD四象限位置檢測(cè)器接收，光斑移動(dòng)表征了懸臂偏轉(zhuǎn)位置的變化即振幅的大小改變，用這種方法的原子力顯微鏡可以獲得0.01nm的分辨率。但在超高真空系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)的光杠桿控制系統(tǒng)較大不適合放置于真空系統(tǒng)中，此外激光的照射容易對(duì)近場(chǎng)光學(xué)信號(hào)產(chǎn)生較大干擾。因此，利用光杠桿控制距離并不是最適合超高真空掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。在目前現(xiàn)有的超高真空掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)中，常見的針尖-樣品間距控制方式主要有兩種。一種是利用石英音叉驅(qū)動(dòng)光纖探針控制針尖-樣品間距。光纖探針固定于石英音叉的其中一臂，音叉受壓電陶瓷片的驅(qū)動(dòng)而作微小的振動(dòng)并產(chǎn)生一定的振幅，光纖探針音叉的振動(dòng)而作上下的規(guī)則振動(dòng)。由于石英音叉本身具有壓電特性，因此在受到振動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生壓電信號(hào)，通過檢測(cè)石英音叉的壓電信號(hào)即可得到音叉的振動(dòng)振幅大小，將此信號(hào)利用鎖相放大器和輸入信號(hào)作相位的比較，作為距離控制的反饋信號(hào)。但是在超高真空系統(tǒng)中，該法存在的缺點(diǎn)是，粘附在音叉上的光纖探針必須通過真空腔體上光纖連接頭才能和腔體外的激發(fā)和探測(cè)光路耦合。也就是說，不論光纖探針接收到的近場(chǎng)光信號(hào)輸出到真空腔體外，還是利用光纖探針輸出到樣品表面的光學(xué)激發(fā)信號(hào)，都必須通過光纖連接頭。但是，眾所周知，光纖探針非常容易損傷。對(duì)于常見的超高真空掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)而言，必須將整個(gè)真空腔體打開，才能換上新的探針，并將光纖探針后端插入光纖連接頭，以保證信號(hào)傳輸正常。然而，真空腔體一旦打開，要想恢復(fù)超高真空環(huán)境，首先必須進(jìn)行抽真空、長(zhǎng)時(shí)間加熱烘烤等一系列工作，耗費(fèi)大量的人力、時(shí)間和物力。另一種是利用隧道電流控制針尖-樣品間距。首先在光纖探針表面蒸鍍一定厚度的金屬膜或ITO（Indium?tin?oxide，氧化銦錫）等導(dǎo)電層，在針尖和樣品間施加一定偏壓，當(dāng)鍍膜光纖探針在接近樣品表面一定距離時(shí)，由于電子的隧穿效應(yīng)將產(chǎn)生隧道電流。隧道電流對(duì)于針尖-樣品距離非常敏感，0.1nm的起伏，就將導(dǎo)致1個(gè)數(shù)量級(jí)的隧道電流的變化。利用反饋系統(tǒng)控制隧道電流的變化，就能有效控制針尖-樣品的間距。該法的主要缺點(diǎn)是只能研究導(dǎo)電樣品的表面性質(zhì)，無(wú)法研究半導(dǎo)體和絕緣體的表面特性。此外，其同樣存在通過光纖連接頭連接真空腔體內(nèi)外，同樣存在更換探針?biāo)媾R的巨大的人力，物力和時(shí)間的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，包括真空腔體和光纖探針掃描裝置系統(tǒng)，所述光纖探針掃描裝置系統(tǒng)位于真空腔體中，所述光纖探針掃描單元包括一光纖探針，一支撐架和一光纖定位槽，所述光纖定位槽位于支撐架上，所述光纖探針的尾端固定于光纖定位槽上，所述光纖探針掃描裝置系統(tǒng)包括多個(gè)光纖探針掃描單元。

所述光纖探針掃描單元進(jìn)一步包括一雙壓電陶瓷晶片，一石英音叉和一針尖底座，所述雙壓電陶瓷晶片一端通過支撐架和針尖底座相連，所述石英音叉的上臂黏附于雙壓電陶瓷晶片另一端的下方，所述石英音叉的下臂黏附光纖探針的中間部分。