• 产品名称:九州酷游网址基于近场光学原理的光刻技术
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  • 发布时间: 2021-09-19
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  扫描近场显微镜SNOM原理图总的来说,SNOM脱胎于扫描探针显微镜SPM,是在STM的基础上发展起来的,是扫 描探针显微镜的一种。九州酷游网址所以近场光学显微镜有着SPM 一样的基本结构和相关技术。近场显 微镜的成像原理即通过探针扰动物体表面的局域倏逝波,散射为传导波,再由远场仪器探测。 由倏逝波到导波的转换是线性的,因此探针所获得的信息能够反映样品精细结构的局部变 化,用探针进行样品表面进行扫描,就可以得到样品的图像。成像的分辨率取决于探针尖端 小孔的直径和探针与样品的间距。 光纤探针被固定在扫描装置上,由压电陶瓷组成的扫描单元被用于控制光纤探针在三维 方向上运动,x、y 平行于样品表面,z 垂直于样品表面。当针尖接近到样品表面的近场区域 后,扫描装置控制探针在样品表面x,y进行扫描。同时距离反馈控制系统控制扫描装置中的 位置的值并进行数字成像,可同时得到样品的近场光学图像。该系统的关键技术主要包括以下几个方面: 1数据采集和成像分析 2压电扫描控制 几乎所有的 SNOM 都使用压电陶瓷作为扫描驱动器,压电陶瓷微驱动器是一种利用压电 陶瓷压电效应而制成的固态驱动器,九州酷游网址它提供了一种较为简便的将驱动电压转换成01nm到几 十微米尺度运动的有效方式。 3光学探针及其控制技术 a光学探针 光学探针是 SNOM 的核心部分,光学探针孔径的大小决定了仪器的分辨率。除去目前 应用最多的锥形光纤探针,人们也研制出许多其它结构的探针像四面体玻璃尖端探针,AFM 悬臂导光探针,无孔散射探针,尖端发光探针,等离子体探针等等。 b探针-样品间距控制 要保持探针-样品距离在几个纳米到几十个纳米的恒定值,这需要相应的反馈控制来实 现。目前绝大多数 SNOM 中的距离控制是利用探针的力学效应来提供反馈信号,力学效应 主要包括剪切力反馈,轻敲模式反馈,AFM接触式反馈等。 c光学传输和探测系统 由于近场信号通常比较弱,所以设计光路时要考虑尽可能地减少光的损失,提高传输和 收集系统的效率和采用更灵敏的探测器。 3SNOM的不同工作方式 SNOM的四种工作方式 (三)、基于近场光学原理的光刻技术 SNOM 作为扫描探针光刻技术的主要实现方式,不仅具有传统光学显微镜的非接触无 损坏性的探测优势,更由于突破了衍射极限而具有空间的超高分辨率,一直受到科学家们的 广泛关注。Betzig 利用SNOM和420nm的激光,在传统的光刻胶上实现了约100nm的光刻 线。Riehn 等人则在聚合物上实现了约 160nm 的光写。但由于SNOM 的光刻速度很慢,使 实际应用受到很大限制。 超高分辨近场结构super-resolution near-field structure,简称 Super-RENS是 1998 Tominaga提出用于超高密度大容量光学信息存储的技术,是建立在近场光学原理基础上的 新技术。Super-RENS 由两层保护层和一层掩膜层构成的多层膜结构,掩膜层和记录层的间 距在近场范围内大约几十纳米。Super-RENS 的微区光场可分为孔径型和散射中心型两种, 孔径型主要通过无机相变材料和有机色变材料的光热掩膜效应来实现;散射中心型主要通过 散射粒子的表面等离子增强效应来实现,其掩膜材料主要包括 Melville等人也采用多层膜结构进行了亚微米成像的光刻实验,在记录层上刻 出了周期为700 nm 的光栅,其中掩膜钨光栅的周期是 。此技术的核心是利用记录层银膜在适当波长和偏振情况下可看作是“负折射率材料”这一特性。Luo 则提出了表面等离 surfaceplasmon resonant interference nanolithography technique,SPINT。此技术利用金属表面等离子通过多层膜结构在近场范围内的相互作用来 实现超衍射极限的有效刻写。 由此可以看出,在近场范围内能实现超衍射极限的多层结构都可称为 Super-RENS,且 随着材料科学的不断发展,基于近场光学原理的光刻技术必将随着各种新型光存储材料的出 现而得到进一步的发展。 (四)、近场光学与表面等离激元 表面等离激元surface plasmon polariton,SPP作为介质表面的一种元激发在本质上和近 场光学相似,都和高频电磁场的激发和传播有关。SPP 与光子耦合以及由此产生的一系列特 殊光学效应已经成为目前研究的热点。Fischer Pohl将表面等离子共振surface plasmon resonant,SPR技术应用于近场光学显微领域。 1表面等离激元的激发和共振 Kretschmann SPP耦合方式都可以实现 SPP 的激发,而目前以采用 Kretschmann 型为主要实现表面等离子共振方式,原理图如图5 所示。通常在棱镜的表面需 要通过真空蒸镀或磁控溅射等方法镀上一层10nm~50nm厚的高反射率薄膜,如金、银膜。 Kretschmann型SPP 耦合方式 近场光信号I随激光入射角 的变化曲线 处于共振的 SPP 激发出与全内反射出射光同向的光,当金属膜厚度适当时,可与棱镜 —金属表面的反射光干涉相消,此时反射光最弱。利用近场光学扫描探针显微镜就可以测量 激光的不同入射角度与近场光信号之间的关系,如图6 所示,曲线峰值处对应的是产生衰减 全反射attenuated total reflect,ATR时的激光入射角度。衰减全反射是表面等离子共振现象的 显著标志之一。 国内的一些学者利用衰减全反射ATR 机制研发了SPR-SNOM光谱仪。他们利用激发光 以大于全反射临界角的入射角照明一个楔形棱镜,在棱镜和样品界面形成隐失场,并利用隐 失场照明表面镀有金属膜的棱镜上的样品,在金属膜的粗糙表面形成SPP。当探针接近样品 时,由于探针扰动了隐失场使其转化成为传播场,利用 SNOM 探针收集散射光,光电倍增 管进行成像,就可同时获得金岛薄膜的形貌和光强图。 2表面增强拉曼散射 20 世纪70 年代中期,科学家们发现在有吸附物的粗糙金、银、铜表面可以产生高强度 的拉曼散射,强度可达到无吸附时的 10倍,此现象被称之为表面增强拉曼散射 surface-enhanced raman scattering,SERS。目前虽然表面增强拉曼散射理论还不完善,但是 相信随着对SPP 研究的不断深入,包括对SPP 产生机理的研究,以及SPP 和光子之间耦合、 转换理论的完善,SERS 等其它一系列和SPP 相关的光学现象必将得到完整解释,并在半导 体光谱领域有着更广泛的应用。 3表面等离子晶体 1998 Ebbesen等人发现光在通过金属薄膜上的二维孔径阵列的时候存在增强效应, 即通过对阵列周期等其它参数的试验,每一个圆孔的通光效率都可以大于1;继而又证明如 果在一个单孔周围加工出一些没有把金属膜打穿的孔径阵列或者圆环阵列以及其它一些表 面形貌的时候,同样可以产生增强效应。 2004 年,Okamoto 等人提出可以把具有表面周期性结构的晶体定义为“表面等离子晶 体surface plasmonic crystals,SPC,并认为此类晶体是二维光子晶体和表面等离子极化共同 作用的结果,其中二维光子晶体限制光子在横向的运动,表面等离子极化限制光子在纵向的 运动,两者合起来构成SPC 就可以控制光子在三维空间的运动。此后基于SPC 的传感器得 到了发展,Viktor 等人利用纳米量级的弹性印刷模具实现了二维 SPC 的制作,由于 SPC 结构是纳米量级的,只能用聚焦离子束刻蚀或者电子束刻蚀的方法来加工,因此它的发展将依赖纳米加工工艺的进步。但 SPC 利用的是近场光,突破了光学衍射极限,并拥有局部控 制光场的能力,为新型纳米光子学器件的研发提供了新的思路。 (五)、近场光学在生命科学领域的应用近场光学扫描显微镜和全内反射荧光显微镜total internal reflection fluorescence microscope, TIRFM的单分子水平观测的灵敏度、高分辨率及对样品的无破坏性很好地满足 了生命科学既希望可以连续监测细胞微小结构的变化、又不影响生物体系的活性的要求,在 单分子探测,生物纳米光学及其它生物物理交叉学科上都有广泛的应用。 1扫描近场光学显微术在生命科学上的应用 1992 年,AT&T 贝尔实验室的Betzig 等人利用自制镀膜光纤探针SNOM得到了4 区域内吸附在30nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯膜上的燃料分子探针DiIC12的分布,并在 1993 年,与Chichester 合作首次达到了高于50nm的分辨率,经过近10 年的努力目前又有 较大的提高,图7 显示了SNOM所成的图像与普通荧光显微镜的分辨区别。 a~c:分别为使用X10,X20和X50 物镜得到的结果,Bar :分别为近场光学显微镜得到的形貌像,荧光像和透射像,Bar

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