近场光学显微镜SNOM
s-snom工作原理
s-snom工作原理英文回答：S-SNOM Working Principle.Scanning s-SNOM (scattering-type scanning near-field optical microscopy) is a powerful technique for imaging the local optical properties of materials with nanoscale resolution. The working principle of s-SNOM is based on the scattering of light from a sharp metallic tip that is brought into close proximity to the sample surface. The tip acts as a subwavelength antenna that concentrates the incident light field and enhances the scattering signal from the sample.The scattering signal collected by the tip is directly related to the optical properties of the sample at the nanoscale. For example, the amplitude of the scattering signal is proportional to the local refractive index, while the phase of the scattering signal is related to the localthickness and topography of the sample. By raster scanning the tip across the sample surface, it is possible to generate images that map the spatial distribution of these optical properties.S-SNOM has a number of advantages over other near-field optical microscopy techniques, such as apertureless SNOMand photoluminescence SNOM. First, s-SNOM does not require the use of a subwavelength aperture, which can be difficult to fabricate and maintain. Second, s-SNOM is compatiblewith a wide range of samples, including opaque and non-fluorescent materials. Third, s-SNOM can be used to image both the real and imaginary parts of the sample's optical response.S-SNOM has been used to study a wide range of materials, including semiconductors, metals, polymers, and biological materials. It has been used to investigate the optical properties of nanostructures, such as quantum dots and plasmonic resonators. It has also been used to study the local optical properties of materials in heterogeneous systems, such as solar cells and thin films.中文回答：S-SNOM工作原理。
近场光学显微镜
近场光学显微镜
近场光学显微镜（MO-SNOM）是扫描近场光学显微镜的一种形式。
一种扫描近场光学显微镜（SMOM），用于可视化样品表面的形状和磁通量分布。
用于分析磁性材料中磁光效应引起的光的偏振度的光学系统已添加到透射SNOM中。
入射的激光束通过声光调制器（AOM）以15 kHz的频率闪烁，然后用偏振器线性偏振，然后在安装有探头的悬臂背面引导到单模光纤探头。
有反射器，使用光xxx法探针-进行控制采样距离，探针是在振荡用声光调制器的闪烁同步地（AOM）的压电元件是通过振动。
SNOM(理论与应用)
1
第2章
动力学方程的类比——模型引入的可行性
在量子隧穿的模型中,非相对论形式的动力学方程是著名的 Schrö dinger 方程
(
可变形为
2
2m
2 V ) E
( 2-1 )
(2
2m( E U )
2
) 0
( 2-2 )
此即
(2 k 2 ) 0
( 2-3 )
而对于作为电磁场的光场,又有 Helmholtz 方程
(2 k 2 ) E 0
( 2-4 )
由此,借用 STM 中的 s-波针尖模型,我们可以做如下图的模型
样品表面波函数为周期性的平面场 , 针尖的波函数由于其复杂性 , 我们将其简化 为半径为 R 的球形模型,其允许进入的波的模式为球波.成像信号为这两种模式的 光场的耦合,可以认为是能量在这两种模式的波场中的传递.
( 3-5 )
G 2 ( f x , f y )
( 3-6 )
3
为波矢的水平空间分量. 考虑到光场能量远小于样品的表面激发能量的情形,我们取
k/ / 0
( 3-7 )
为第一 Brillouin 区的原点, 则由如上代换可以直接得到光场的周期平面场的衰 逝部分
E( x, y, z ) E( f x , f y ,0)e
3.2
1s 球波与球形光场的衰逝部分
从众所周知的对量子力学中的球方势阱问题束缚态的求解中,给出在
ra
时,势阱外存在解
R( r ) Bk ' l
( 3-19 )
2k ' r
K
l
1 2
(k ' r )
( 3-20 )
SNOM综述
光纤插入腐蚀液深度2～ 3mm
加热温度：70～90oC 滴漏速度为40～60滴/分
腐蚀法（续）
由于HF具有挥发性，会被液上的光纤吸收、聚集，导致这 部分光纤被腐蚀 ，变细，从而使纤锥变得细长，锥角小 （通常只有10度以下），这是很不利的。 带保护层的化学腐蚀法：（中科大）
历史与现状（续）
国内外的研究组：
法国Besancon大学courjon小组、美国AT&T Bell实 验 室 Betzing 小 组 、 德 国 Konstanz 大 学 Bielefeldt 和 Krausch小组、丹麦Alborg大学Bozhevolnyi小组、 美 国 Cornell 大 学 Cline 小 组 、 荷 兰 Twente 大 学 vanHulst小组；
在国内，北京、清华、中科大、南开、南京大学等 都有对SNOM进行研究。
综述 分类及基本原理
超衍射极限成像的基本条件
1 隐失波：受光照明物体的表面的近场 包括两种成分:
一种是传导波(propagating wave),可从近场 区域向远处传播而同时存在于远场区域；
另一种是隐失波(evanescent wave)，其强度 随距物体表面距离的增加而呈指数衰减且仅 存在于近场区域:
近场光学显微镜
李德春 2002.5.19
内容
综述 探针制备 举例
综述
历史与现状 分类及基本原理
引言
人们发现STM、AFM条件过于苛刻，不 如光学手段方便快速 由于分子生物学问题、纳米尺度分辩的 微电子学问题、纳米级分辩光存储等近 代课题的出现，迫切需要解决纳米级分 辩的光学显微成像技术。
近场扫描光学显微镜安全操作及保养规程
近场扫描光学显微镜安全操作及保养规程一、安全操作近场扫描光学显微镜（Scanning Near-field Optical Microscope，SNOM）是一种高分辨率的显微镜，可以在纳米尺度下观察材料的特性和表面形貌。
为了确保您的安全，以下是近场扫描光学显微镜的安全操作规程：1.实验室规定：–近场扫描光学显微镜仅限于在合适的实验室条件下使用。
–在使用近场扫描光学显微镜时，应配备个人防护装备，如实验室外套、手套和护目镜。
2.设备检查：–在使用近场扫描光学显微镜之前，检查所有设备的连接情况是否正常。
–确保设备的电源和调节器处于关闭状态。
3.样品准备：–准备样品时，确保操作台面干净整洁。
–使用适当的工具处理样品，避免直接用手触摸。
–检查样品是否与近场扫描光学显微镜兼容。
4.样品安装：–使用显微镊子小心地将样品放置在样品台上，确保样品稳定。
–不要施加过大的力量，以免损坏样品。
5.光源设置：–按照设备操作手册的指导设置光源参数。
–避免直接观察光源，以免眼睛受到损害。
6.近场探针检查：–使用显微镊子小心地安装或更换近场探针。
–检查近场探针是否清洁，并保持其完整性。
–确保近场探针与样品的接触精确。
7.系统调整：–打开电源并进行系统初始化。
–按照设备操作手册的指导进行系统调整。
–调整近场扫描光学显微镜以获得所需的图像。
8.操作流程：–严格按照设备操作手册的指导进行操作。
–注意操作流程中的每个步骤，并确保每个步骤的顺利进行。
9.关闭系统：–关闭电源之前，设置设备参数回初始状态。
–将近场探针小心地取下并妥善保存。
–定期清洁和保养设备。
二、设备保养为了确保近场扫描光学显微镜的正常运行和延长使用寿命，以下是设备的保养规程：1.定期清洁：–使用合适的清洁剂和软布清洁设备的外部表面。
–避免使用有机溶剂或腐蚀性物质清洗设备。
2.近场探针维护：–定期检查近场探针的状态，并根据需要更换探针。
–清洁近场探针时，使用特殊的清洁液和纯净水。
近场光学显微技术原理及应用
Tip is approached
Tube image width is ~ 70 nm (limited only by
size of the tip)
本章小节
1、基本概念： 近场：
（4） （5）
一、辐射场和隐失场
3、光栅衍射场和精细结构
y
•1)光栅周期大于波长（d>λ）
d
1/v x
u2
v2
1
2
2 2 1
1/u
A(
,
,
z)
A0
(
,
)
exp[i
2
(1 2 2)z]
（5）改写A(
,
,
z)
A0 (
,
) exp[i(z)，] 实数
(z)
2）光栅周期小于波长（d<λ）
隐失场的表达式 ：
E(x,
y,
z,
t)
A(
x,
y,
z)
exp[-i(k
x
x
kx
y)]
exp(
-z Rd
)
二、隐失场理论 1、隐失场的特征
隐失波 (evanescent wave，衰逝波，倏逝波等) 尺寸小于波长的信息，包含在隐失场中； 隐失场离开物体表面在空间急剧衰减； 隐失场是非辐射场或非传播场。
三、近场光学显微镜概述 2、 提高显微镜分辨率的历史概貌
分辨率/nm 1000 100 10 1
0.1
1800 1850 1900 1950 2000 年
传统光学显微镜 电子显微镜 场离子显微镜 扫描隧道显微镜 近场光学显微镜
三、近场光学显微镜概述
3、近场光学显微镜的优点： ✓ 样品不一定必须是导体，也可以是非导体或
扫描近场光学显微镜与纳米光学测量
在实验技术部分，书中详细介绍了SNOM的实验设备、操作流程以及数据处理方 法。从样品制备到实验设置，再到数据解析，每个步骤都进行了详尽的解释。 还通过实例展示了SNOM在各种不同材料和结构中的应用，包括半导体、金属、 介质、生物和有机材料等。
在纳米光学测量应用部分，书中深入探讨了SNOM在各种纳米光学现象的测量中 的应用，包括表面等离子体共振、光学非线性、纳米光子学等。这些内容不仅 展示了SNOM的广泛适用性，也揭示了其在纳米光学研究中的独特优势。
更重要的是，书中还深入探讨了纳米光学测量在纳米光子学和等离激元光学研 究中的应用，包括近场光学超分辨成像、纳米尺度光场振幅、相位、矢量场、 磁场、偏振、光谱等物理参数的测量表征。
这本书给我留下了深刻的印象。它为我们提供了关于SNOM的全面信息，这种工 具在纳米光学测量中扮演着越来越重要的角色。在理解SNOM的工作原理和性能 指标时，我们可以更好地评估和应用这种工具。书中还提到了纳米光学测量的 多种应用，这让我对纳米科技有了更深入的了解。
《扫描近场光学显微镜与纳米光学测量》是一本的应用。无论大家是初学 者还是专业研究人员，这本书都将为大家提供宝贵的资源和启示。
阅读感受
在科学社的《扫描近场光学显微镜与纳米光学测量》一书中，作者王佳、武晓 宇、孙琳以深入浅出的方式，为我们揭示了扫描近场光学显微镜（SNOM）以及 纳米光学测量的奥秘。这本书不仅对近场光学的基本概念和探测原理进行了概 述，还详细阐述了SNOM的分类、工作原理、功能模块、关键技术、性能指标等。
《扫描近场光学显微镜与纳米光学测量》这本书是一本为所有对纳米光学和近 场光学感兴趣的读者提供的宝贵资源。无论是初学者还是专业研究人员，都可 以从这本书中获得深入而广泛的知识和理解。
这本书还通过图表、插图和实例等方式，使抽象的理论变得生动且易于理解。 读者可以直观地看到SNOM的工作过程和结果，从而更好地理解和掌握SNOM的 基本原理和应用。
近场光学和纳米光学分析
近场光学和纳米光学分析近场光学和纳米光学是近年来发展迅猛的前沿研究领域，它们利用光的近场效应以及与纳米尺度物质相互作用的光学现象来实现对细微结构的分析和操控。
近场光学与传统的光学相比，可以突破传统光学的分辨率极限，有效地研究纳米尺度的物质特性。
近场光学的基本原理是利用探针和样品的相互作用，通过探针的高分辨率、高增强效果以及样品对探针的敏感响应，实现对样品表面和局部特征的显微分析。
其中，最常用的技术是近场光学显微镜（SNOM）。
SNOM通过在样品表面附近放置一个特殊的光学探针，利用探针的高分辨率和表面增强效应，可以直接观察和操控样品的纳米结构。
同时，SNOM还可以通过调节光探针的位置以及利用光的散射、吸收、荧光等性质，实现对样品的化学成分、表面电荷、生物分子等的分析。
近年来，SNOM已经被广泛应用于材料科学、生物医学、纳米电子等领域。
而纳米光学则更加注重对纳米结构中的光与物质相互作用的研究。
纳米尺度的物体在与光相互作用时，由于尺寸大小接近光波长，表现出与大尺度物体不同的光学特性。
纳米结构可以通过调控其光学性质来实现对光的强化、控制与操控，尤其在纳米光子学领域有着重要的应用。
纳米光学的研究主要集中在材料的表界面和结构上。
通过调控纳米结构的形状、组成和排列方式，可以控制其对光的吸收、散射、透射等性质。
例如，金属纳米颗粒具有表面等离激元共振现象，通过调整纳米颗粒的尺寸和形状，可以调控其吸收和散射光的波长和强度。
这种效应在光传感、光电子器件等领域有着广泛的应用。
此外，通过在纳米结构材料表面引入掺杂物或微观结构，还可以实现光学响应的非线性和增强，例如拉曼散射、谐振光学穿孔等。
这些纳米结构与光的相互作用的研究，也为制备高性能的光电材料和光子学器件提供了新的途径。
近场光学和纳米光学的研究不仅有助于理解材料在纳米尺度上的光学性质，而且为其在能源、光电子、生物医学等领域的应用提供了基础。
例如，近场光学和纳米光学的应用可以实现对太阳能电池、光催化材料以及光传感器等能源材料的表征和调控，进一步提高其能量转化效率和性能稳定性。
近场光学数值模拟和扫描近场光学显微镜的开题报告
近场光学数值模拟和扫描近场光学显微镜的开题报告1.研究背景和意义:近场光学（NSOM）是一种将光学探测器放置在尺度小于光学波长的范围内的技术。
这种技术可以使我们不受光学波长的束缚来研究超微观结构和表面形貌。
扫描近场光学显微镜（SNOM）是使用NSOM技术的一种设备，它可以以亚纳米分辨率来显示样品表面的光学性质。
由于扫描近场光学显微镜可以应用于各种物理、化学、生物和医学领域的研究中，因此该设备近年来得到了广泛的研究和应用。
在SNOM技术的发展过程中，数值模拟成为非常重要的一部分，可以帮助研究人员理解NSOM设备的工作原理和表征样品的方法，因此，NSOM数值模拟技术的研究对于SNOM的进一步发展和应用具有重要的意义和价值。
2.研究内容和方法：本项目旨在研究近场光学数值模拟和扫描近场光学显微镜，并从以下几个方面进行研究：（1）近场光学数值模拟原理及其应用于SNOM检测的方法（2）近场光学数值模拟对SNOM检测结果的影响机理研究（3）通过数值模拟来优化SNOM技术，提高其性能和应用范围本项目的研究方法主要包括：（1）查阅文献和资料，了解NSOM和SNOM技术的发展现状及研究进展（2）数值模拟软件的使用，进行近场光学数值模拟的理论和实验研究（3）对比和分析数值模拟和实验结果，从而解释实验结果和优化SNOM技术的性能3.研究计划和预期结果：本项目的研究计划如下：（1）第一年：研究近场光学数值模拟原理，数值模拟软件的使用和近场光学数值模拟在SNOM中的应用（2）第二年：研究数值模拟对SNOM检测结果的影响机理，尝试对SNOM技术进行优化和改进（3）第三年：实验验证数值模拟所得到的结果，对比和分析实验和数值模拟结果，从而解释实验结果和进一步优化SNOM技术的性能预计研究结果包括：（1）对近场光学数值模拟原理和应用的深入理解（2）探究数值模拟对SNOM检测结果的影响机理，为其优化和改进提供理论指导（3）改进和优化SNOM技术，提高其检测性能和应用范围4.研究难点和挑战：本项目的研究难点和挑战主要包括：（1）近场光学数值模拟的原理和方法非常复杂，需要掌握一定的数学和物理知识（2）数值模拟虽然可以简化实验过程，但是，其结果的准确性受到很多因素的影响，需要认真分析和评估其优劣。
近场光学显微技术原理及应用
1984年 D. W. Phol 等人把近场光学技术与 STM 技术的 結合，制成了第一台近场光学显微镜SNOM (scanning nearfield optical microscope)。分辨率达到了1/20波长。
传统光学显微镜概述
传统光学显微镜
1、传统光学显微镜分辨本领
肉眼 显微镜筒
样品台 聚光镜
• 传统光
相对光强曲线 I / I0
学显微
主极大
镜
第一极小
－光学透镜
sin
组成
• 光学衍 射极限
－艾里斑
艾里斑
光源
2、瑞利判据
刚可分辨
不可分辨
如一个物点的衍射光斑的 主极大与另一个物点的衍 射光斑第一极小恰好重合， 便认为两个物点的像刚好 能被分辨开。
近场光（表面波）
•近场：从物体表面到一个波长以内的距离。 •远场：从近场以外一直延伸到无穷远的区域。
二、近场光学及近场光学显微镜概念
1、近场光学：
研究距离物体表面一个波长以内光学现象的新型学科。
2、近场光学显微镜：
用来观测近场（微观尺度）光学现象的新型显微工具 。 不用光学透镜成像, 而用近场光学探针的针尖在样品表面 上方扫描获得样品表面的信息。
三、近场光学显微镜概述
1、 近场光学显微镜之演进历史
• 1928年E.H.Synge第一 个提出突破分辨率极限的 构想。
1）强光源 2）nm量级微调 3）nm量级小孔
光电池
三、近场光学显微镜概述
1956年 J.A. O’Keefe 也提出了一个近场光学扫描显微 镜的构想。
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近場光學的發展
所以如何製作更好的近場光學探針，來提 高解析度以及有效地控制近場光學探針的 高度，以避免微細玻璃探針與樣品的受損 是當時努力的目標。
原理與架構
工作模式
探針與量測物之表面必需具有一小於10nm的距離， 而後再進行掃描的量測，因此如何有效且快速的 控制探針的高度則是很重要的環節在許多文獻中 可知，SNOM的量測方式常見的方式，有下列幾種：
近場光學的發展
一九七二年亞許（E.A. Ash）與尼可斯（G. Nichols）才以波長是三公分的微波，證實 的確可在近場範圍中達到 1/60 波長的空 間解析度。
近場光學的發展
一九八二年到一九八八年之間，費雪 （Fisher）等人在德國哥廷根的馬克士普 郎克研究中心、普爾等人在瑞士 IBM 研究 中心以及路易斯（Lewis）等人在美國康乃 爾大學，分別以 STM 的探針控制技術進行 近場光學顯微儀的製作。
近場光學顯微鏡(SNOM)
組員:何采宇 M9710213 周鈺翔 M9710251 蔡智凱 M9710214 陳利鴻 M9610235
目錄
發展 原理與架構 工作模式 應用與未來發展
近場光學的發展
英國的辛格（Edward Hutchinson Synge） 及美國的歐基夫（John Aloysius O‘Keefe, 1916-2000）分別在一九二八年及一九五六 年提出在近場光學中（即遠小於一個量測 波長的距離）進行光學量測，可避免因大 於一個波長的距離之後，光波動性質的呈 現與干擾，便可獲得超越繞射極限的空間 解析度。
Thanks for your attention
極微小的電子元件
未來發展
近場光學顯微術的發展，得到了許多前所未能測 得的光學訊號及應用物理上的新發展，如單一染 料分子的螢光近場顯微光學影像，單一分子及單 一蛋白質的近場光化學及其超快光學動態量測， 近場區域性（100 奈米）拉曼光譜在鑽石表面上 的量測，以及近場超解析結構對超高密度儲存記 錄的發展等等。預期此一新技術會被大量且迅速 地應用在生物、醫學、半導體及高分子材料等的 研究上。
1.穿透式
2.反射式
3.剪應力
穿透式：
反射式：
剪應力：
石英音叉夾持探 針實體圖
利用壓電使石英音 叉產生振幅
振幅與探針位置圖
近場光學的應用
近場光學顯微術（near-field scanning optical microscopy, NSOM）的光學空間解析度， 主要取決於光纖探針末端光學孔穴的大小，因而 只要控制好探針上光學孔穴的大小，就可以獲得 解析度是奈米級的三維空間影像，很接近電子顯 微鏡的解析度。 DVD 光碟機的設備
近場光學的發展
其中較佳的結果是以微細玻璃管做成的探 針，外鍍一層鋁膜以形成奈米尺度的光孔 穴，再在樣品表面上約數個奈米的固定高 度以壓電陶瓷來精確控制及掃動這近場光 學探針，可說是近場光學顯微儀的初步雛 形。在這期間，空間解析度由 100 奈米到 20 奈米的結果都有，但在穩定性及重覆性 上都不佳。