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1、A C TA O P T ICA S IN ICA1998 年 2 月F eb rua ry, 1998光子扫描隧道显微镜的进展3吴世法 姚骏恩 简国树 郭 宁(大连理工大学物理系, 大连 116023)摘 要 介绍我国第一台光子扫描隧道显微镜的研制情况, 论述图像分解光子扫描隧道显微镜的原理和光子扫描隧道显微镜的光存储技术的初步设想。关键词 光子隧道, 超高分辨光学显微镜, 超高密度光存储, 近场光学。引言11989 1990 年,雷迪克 (R edd ick ) 1 、康里乔恩 (Co n r ijo n ) 2 、福纳尔 (de Fo rn e l) 3 、维古库克斯 (V igo u
2、rcu x ) 4 和帕格尼亚 (P agn ia ) 5 等先后报道了早期的光子扫描隧道显微镜实验研究结果。1991 年 5 月 28 日美国专利局公布了弗雷尔 (F e r re ll) , 沃卖克 (W a rm ack ) , 雷迪 克等人发明的第一个光子扫描隧道显微镜专利6 。1990 年作者开始研究光子扫描隧道显微镜, 1991 年 10 月成功地获得了全息光栅的光子扫描隧道显微镜图像, 其分辨能力达到 100 nm 。这是国内首次利用光子扫描隧道显微镜的近 场光学成像技术, 突破常规光学衍射极限的初步进展。继而推导了光子扫描隧道显微镜的成像公式7 。1993 年 6 月 6 日研
3、制成功的我国第一台光子扫描隧道显微镜系统3 3 通过了专家组 鉴定8 , 该鉴定意见如下:“研制成功的光子扫描隧道显微镜实验装置具有图像分辨率高 ( 横向优于 10 nm , 纵向 1 nm ) , 扫描范围大 ( 1 0 m 1 0m ) , 并具有微机自控、图像采集与处理功能, 其主要技术性能已达到国际先进水平, 填补了国内本技术领域的空白。光子扫描隧道显微镜是扫描 隧道显微镜系列中的一个重要分支, 也是 当前国际上光学显微镜重要发展方向。它 突破了常规光学显微镜的衍射极限 ( 半波 极限) , 其分辨本领达到纳米级水平。研制组利用该光子扫描隧道显微镜成像系统对全息光栅、正交光栅、聚苯乙烯
4、小球、精加F ig. 1 Sch em a t ic o f th e P STM sy stem3国家自然科学基金资助 (N o. 69677011)。3 3 注: 参加该项工作人员: 姚骏恩1 , 吴世法2 , 高崧3 , 郭宁4 , 商广义5 , 初世超6 , 贺节7 , 夏德宽8 , 李成基9 , 徐绍华10 , 张连生12。单数为中国科学院北京电子显微镜实验室, 偶数为大连理工大学物理系。 收稿日期: 1997202223; 收到修改稿日期: 1997206223光学学报18 卷192工光学材料表面、硼硅酸盐掺杂玻璃、氟玻璃、白云母、铌酸锂晶体、生物病毒等样品表面进行了观察和研究,
5、取得了很好的结果, 观察到一些新的结构和现象。”该成果曾获得中国科学院和国家教育委员会 1995 年科技进步三等奖,样品的图像见图 2 图 99, 10 。光子扫描隧道显微镜系统的原理见图 1, 部分F ig. 2 P STM im age o f ho lo g rap h y d iff ract io n g ra t ing(1 kp l/mm , w ith goo d p lanene ss and d iffe ren t ref ract ive index , 7 m 7 m size)F ig. 3 P STM im age o f rep lica ted cro ss
6、g ra t ing (o r ig ina l g ra t ing is eng raved w ith 600 p l/mm , bu t P STM im age app e rae s a s 1200 p l/mm , it is fo rm ed byla te ra l ex t rud ing, 6 m 6 m size)F ig. 4 P STM im age o f sup e r sm oo th su rface o f g la ss (a) and it s p ro f ile (b ) (3 m 3 m size, 20 nm ve r t ica l m a
7、x2im un , 1 nm lo ng itud ina l re so lu t io n )F ig. 5 P STM im age o f su rface o f sillico n 2bo r ide g la ss(1 m 1 m size, g ra in ine ss 10 50 nm )F ig. 6 P STM im age o f su rface o f f luo r ide g la ss (3. 5 m3. 5 m size, eff lo recen t den t 0. 2 0. 5 m by a ir)F ig. 7 P STM im age o f HD
8、 P E (Po ly th ene f ilm , 0. 8m 0. 8 m size) , a t tach ed m ap is T EM im age ( 60 k , 30 nm c ry sta lline, 10 nm am o rp ho u s)F ig. 8 P STM im age o f po ly sty rene bead s w ith d i2am e te r 110 nm (250 nm 250 nm size, lo g i2tud ina l re so lu t io n 1 nm )2 期吴世法等:光子扫描隧道显微镜的进展193F ig. 9 P S
9、TM im age o f EB v iru s in liv ing ( 1 m 1m size, d iam e te r o f EB v iru s abo u t 200 nm )F ig. 10 Sch em a t ic o f p ho to n tunne ling p r incip le图像分解光子扫描隧道显微镜( IS2P STM )所谓光子隧道现象是一个广义的隧道概念, 它是指入射光频电磁波和全内反射界面隐失波(evan e scen t w ave) 电磁场“垒”之间发生的一种“局域隐失场受抑”现象。入射光子在隐失场 “垒”上是通不过的; 但当探测隐失场的光纤尖进入
10、隐失场时, 光纤尖将使隐失场局域“受抑” (f ru st ra ted) , 光纤尖端头界面外隐失波电磁场通过界面耦合 ( 即全内反射逆过程) 可使隐失波 光子变换为传输波光子在光纤尖内传输至光纤另一端远场, 光电探测器记录下光子隧道信 息。光子扫描隧道显微镜图像一般指光纤尖在样品表面作等光子隧道信息扫描时所采集的光2纤尖高度变化图像 H (x , y )。设光纤尖高度为H (x , y ) 见图 10, 它是样品厚度 Z 0 (x ,光子隧道间距 Z (x , y ) (即光纤尖至样品表面距离) 的和。因此,H (x , y ) = z 0 (x , y ) + Z (x , y )光子隧
11、道信息可近似表示为7y ) 与(1)1) / (4/) Z (n 2 sin 2 -I (x , y ) = K (p ,n 1 ,) exp -(2)1式中 K (p ,n 1 , ) 是与光的偏振态 p、样品折射率 n 1 (x ,y ) 和光束入射角 (x , y ) 有关的常量。保持 I (x , y ) 为预置常量扫描时, 有 I (x , y ) = (5I /5Z ) Z (x , y ) +(5I /5n 1 ) n 1 (x ,y ) + (5I /5) (x , y ) = 0(3)由(1) 式和 (3) 式可得光子扫描隧道显微镜的成像公式为H (x , y ) = Z 0
12、 (x , y ) -(5Z /5n 1 ) n 1 (x , y ) -(5Z /5) (x , y )(4)设入射光束在平行于载物台面的样品表面处的入射角为 , 则表面 (x , y ) 点的入射角 (x , y )与样品该点表面在入射面内的倾角 (x , y ) 有如下关系 ( 见图 10) : (x , y ) = + (x ,y ) , 因此, 由(4) 式说明在光子扫描隧道显微镜图像中包含三个子图像:y ) 为样品表 Z 0 (x ,面形貌图像; (5Z /5n 1 ) n 1 (x , y ) 为与折射率变化分布图像 n 1 (x , y ) 呈非线性的图像, 其中(5Z /5n
13、 1 ) 一般不是常量(但与 n 1 呈单调变化) ;(5Z /5) (x , y ) 是假像, 当入射面取的方位不同时 (x , y ) 也不同。这个假像是第一代光子扫描隧道显微镜成像中图像难于解释的根本原因。雷迪克等人的第一代光子扫描隧道显微镜仅适用于两种特殊样品: 1) 已知样品是平面 样品 (如平行切片样品, 已知表面不平度可以忽略的样品等) , 可观察折射率变化的图像, 由(4) 式可知,当 Z 0 (x ,y ) 0、 (x , y ) 0 时, 光子扫描隧道显微镜图像 H (x , y ) -(5Z /5n 1 ) n 1 (x , y ) ; 2) 已知折射率是均匀的且表面起伏
14、变化不大的样品, 可观察表面微小起伏的形貌图像, 由(4) 式可知, 在 n 1 (x , y ) 0 和(5Z /5) (x , y ) 相对于 Z 0 (x , y ) 是 一个小量时, H (x , y ) Z 0 (x , y )。此外, 还适用于已知表面起伏为一维的样品, 如一维光学学报18 卷194刻划光栅, 光盘引导槽的局部等。只要将一维形貌母线放在光束入射面以内, 样品的表面有较大起伏也不会引入假像, 其原因是 (x , y ) 0。但是,知条件, 尤其是处于自然状态或准自然状态下的生物样品,不适用。吴世法提出了一种光子隧道扫描图像分解方法11 ,一般样品常常没有那么严格的已第一代光子扫描隧道显微镜显然 推导了图像分解公式, 给出了公式求解方法和仪器结构设计框图, 解决了第一代光子扫描隧道显微镜图像中存在假像与形貌图像、折射率变化分布图像混在一起不能分辨问题。该仪器称为图像分解光子扫描隧道显微镜( IS2P STM ) ,它可消除假像并可分别给出样品表面形貌图像和折射率变化分布图像。消除光子扫
