CN203949934U - 一种新型光学显微镜近场探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学显微镜近场探测装置,包括纳米光纤探针、载物台、物镜以及与纳米光纤探针同步设置的金属探针，纳米光纤探针悬置于载物台上样品上部，所述纳米光纤探针连接有激光发射器，金属探针设置于载物台底部，金属探针与纳米光纤探针针尖位置对应，纳米光纤探针与金属探针之间设置有可灵敏调控的偏置电压。其在近场光学显微镜（SNOM）原有结构上，增加一个金属纳米探针，与光纤纳米探针同步运行，增加纳米探针上偏置电压，电场获得上千倍的尖端放大，针尖下方样品表面载流子密度增大，对入射光反射增强，提高信号强度，使得横向和纵向分辨率都提高。

Description

一种新型光学显微镜近场探测装置

技术领域

本实用新型涉及扫描近场光学显微镜（SNOM）的信号探测技术，具体涉及一种新型光学显微镜近场探测装置。

背景技术

1981年IBM苏黎世实验室，格•宾宁和海因里希•罗雷尔发展了扫描隧道显微技术（STM），他们因此获得1986年诺贝尔物理奖。STM获得清晰的原子图像, 分辨率约0.1nm。STM缺陷是要求样品必须为导体，并且隧穿电流损坏样品,不适用于生物样品。

至今，扫描探针显微镜（SPM）是约30个成员的大家族，其中只有扫描近场光学显微镜（SNOM）是光学显微镜。现有光纤探针的SNOM探测方式:输入探测信号，通过光纤探针的针尖（通光口）发射，采集信号则不一定要通过光纤。这种方案缺点为：针尖半径近似为横向分辨率（根据海森堡不确定性原理），因此针尖越细越好；同时，入射光在针尖通过率与纵向分辨率成正比，因此针尖越粗越好，可见两者不可兼得，SNOM分辨率实际在50nm，限制了其重要价值的发挥。1988年后，针尖增强拉曼散射近场显微技术( TERS)逐渐成为主流方向.针尖增强拉曼散射近场显微镜具有很高的灵敏度和空间分辨率(约为10nm),成为探针显微镜的重要领域. TERS探测方案：因基于拉曼增强散射技术，所以需要无孔金属探针。探针不发射探测信号入射，也不采集入射后的反射信号，只作为纳米天线来接收激励信号，使得针尖下方样品界面处载流子密度增大，在一些文献上称此为“活化”，但出于严谨一般不这样说。TERS主要的缺陷：纳米探针不采集信号，所以增强了信号强度，只能提高纵向分辨率；入射激光会照到金属针尖，使得针尖和样品的信号同时产生，背景信号；金属探针在电磁波下发热，严重的甚至熔融；TERS是无孔探针，丧失部分光学显微镜特性。

实用新型内容

（一）要解决的技术问题

为解决上述问题，本实用新型提出了一种可以同时提高横向和纵向分辨率的新型光学显微镜近场探测装置。

（二）技术方案

本实用新型光学显微镜近场探测装置,包括纳米光纤探针、载物台、物镜以及与纳米光纤探针同步设置的金属探针，所述纳米光纤探针悬置于载物台上样品上部，所述纳米光纤探针连接有激光发射器，所述纳米光纤探针上端侧面设置有石英音叉，所述金属探针设置于载物台底部，所述金属探针与纳米光纤探针针尖位置对应，所述纳米光纤探针与金属探针之间设置有偏置电压，所述物镜设置于金属探针的底部。

进一步地，所述纳米光纤探针与纳米金属探针之间偏置电压，还串联有调节偏压的高灵敏变阻器。

进一步地，所述纳米光纤探针和纳米金属探针压电控制是同步移动的。

（三）有益效果

本实用新型与现有技术相比较，其具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种新型光学显微镜近场探测装置，其在现有的结构上，增加一个纳米金属探针，和光纤探针同步运行，并且在两个探针上偏置一个电压，偏压可以高灵敏调节大小，样品置于两个探针之间，针尖放大效应产生高强电场；高强电场增加了高能带的电子密度（导带上电子密度增加），反射的近场增强，光纤扫描物体界面记录下近场信号，光电转换后，滤波放大，用计算机分析，得出图像。本发明所外加偏压，比能导致隧道电流的偏压小很多，不同样品电导率不一样，需要调节偏压大小，直至实验者认为较理想，调节偏压和照相机对焦类似：一边观察效果，一边调节设备。

改进的好处：第一，近场光学显微镜（SNOM）原有结构上，增加纳米探针上偏置电压，电场获得上千倍的尖端放大，高强静电场使得针尖下方样品表面载流子密度增大，对入射光反射增强，提高信号强度，使得纵向分辨率提高。

第二，探针显微镜包括SNOM，都是针尖半径越小横向分辨率越好。在样品下方，增加一个金属纳米探针，与光纤纳米探针同步运行，保持间距不变，偏压使得针尖伸长20Å(陈成钧,扫描隧道显微学引论)左右，即针尖变细半径变小，横向不确定度变小，横向分辨率提高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的工作原理图。

1-纳米光纤探针；2-载物台；3-物镜；4-纳米金属探针；5-样品；6-激光发射器；7-石英音叉；8-偏置电压；9-高灵敏变阻器。

具体实施方式

如图1所示的一种新型光学显微镜近场探测装置,包括纳米光纤探针1、载物台2、物镜3以及与纳米光纤探针1同步设置的纳米金属探针4，所述纳米光纤探针1悬置于载物台2上样品5上部，所述纳米光纤探针1连接有激光发射器6，所述纳米光纤探针1上端侧面设置有石英音叉7，所述纳米金属探针4设置于载物台2底部，所述金属探针4与纳米光纤探针1针尖位置对应，所述纳米光纤探针1与纳米金属探针4之间设置有偏置电压8，所述物镜3设置于纳米金属探针4的底部。

其中，所述纳米光纤探针1与纳米金属探针4之间偏置电压8，还串联有调节偏压的高灵敏变阻器；所述纳米光纤探针1和纳米金属探针4压电控制是同步移动的。

图2为本实用新型光学显微镜近场探测装置基于现有技术的一个工作原理图，载物台是压电驱动的，由反馈控制模块负责其移动，下方的激光和CCD记录探针的位置，一般情况位于光纤探针一侧，此处只是结构布局的形式差异；敲击光纤探针震动，接近样品时受到剪切力，使得震动幅度变小，附着于光纤的压电石英音叉把这种变化转为电信号，阻抗检测器检测电信号，经过前置放大器后信号进入反馈组件，反馈组件反馈信号给压电设备，若干个压电设备控制纳米探针，载物台的移动，控制移动的精度高于1nm；激光经光纤传导，进入纳米光纤探针，针尖宽度约20nm~50nm，激光的辐射场转为近场，根据光路可逆原理可知，近场可被样品表面排列的原子转为远场（辐射场），这个辐射场含有样品的结构信息，被物镜收集，经过滤波，放大进入数据处理系统，得到原子形貌图；本实用新型增加了一个纳米金属探针，和光纤对置，偏置电压与两者，利用纳米探针针尖放大效应，在针尖之间形成高强静电场，增大样品表面有效载流子密度，增强输出信号，提高纵向分辨率，同时，偏压下金属探针针尖伸长20Å，形成小于单原子的实际针尖（这种效应是Wintterlin 1989年发现并研究的，1991年陈成钧在《扫描隧道显微学引论》阐述的很完整），相应的XY方向高强电场的宽度极小，样品表面得到增强的区域极小，横向分辨率也提高。

本实用新型所述对置纳米探针上偏置电压的方式，第一，可使激发能量更加聚集，提高载流子密度比TERS更有效；第二，静电场只用简单元件就可高精度调节，TERS入射电磁波调节精度和范围都受限。第三，对置探针，光纤纳米探针起SNOM探针的作用，对面的金属探针则是TERS的探针，起到激励样品被测点，增加反射作用，增加一个金属纳米探针，与光纤纳米探针同步运行，保持间距不变，偏压使得针尖伸长20 Å左右，即针尖变细，使得横向不确定度变小，横向分辨率提高，消除现有技术缺陷，保留SNOM和TERS各自优点。

上面所述的实施例仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (3)

1.一种新型光学显微镜近场探测装置,包括纳米光纤探针（1）、载物台（2）、物镜（3）以及与纳米光纤探针（1）同步设置的纳米金属探针（4），其特征在于：所述纳米光纤探针（1）悬置于载物台（2）上样品（5）上部，所述纳米光纤探针（1）连接有激光发射器（6），所述纳米光纤探针（1）上端侧面设置有石英音叉（7），所述纳米金属探针（4）设置于载物台（2）底部，所述纳米金属探针（4）与纳米光纤探针（1）针尖位置对应，所述纳米光纤探针（1）与纳米金属探针（4）之间设置有偏置电压（8），所述物镜（3）设置于纳米金属探针（4）的底部。

2.根据权利要求1所述的一种新型光学显微镜近场探测装置，其特征在于：所述纳米光纤探针（1）与纳米金属探针（4）之间偏置电压（8），还串联有调节偏压的高灵敏变阻器（9）。

3.根据权利要求1所述的一种新型光学显微镜近场探测装置，其特征在于：所述纳米光纤探针（1）和纳米金属探针（4）压电控制是同步移动的。