扫描探针与近场光学显微技术
扫描探针显微术
2、STM结构
针尖安放在压电陶瓷上，压电陶瓷可在 三维方向上移动。 隧道显微镜主体：针尖的平面扫描机构， 间距控制调节机构，隔振装置。 控制电路、计算机控制。
3、应用
STM对样品不产生损伤，在半导体、表 面物理、材料、化学、生物等方面获得 应用。
STM具有如下独特的优点：
1. 具有原子级高分辨率，STM 在平行于 样品表面方向上的分辨率分别可达 0．1 nm 和 0．01 nm，即可以分辨 出单个原子．
k0 h m(1 2 )
1V , 1 2 8eV , s 0.4nm, J 5 ´ 108 A / nm 2 UT
改变偏压或电极间距，观察隧道电流的 变化，就可得出电流电压隧道谱和电流---间 隙特性谱，它们隐含表面电子结构信息。
3、表面科学
扫描探针显微术最初主要用于表面科学 研究。固体表面附近的几个原子层内具 有许多与体内不同的性质。在表面附近， 在垂直于表面方向的晶体周期性发生中 断，作用于表面原子内外两侧的力失去 平衡，相应的电子密度分布也发生变化， 形成过渡层，从而产生新的物理、化学 性质。
1、 原理 STM不用光源，也不用透镜。 显微部件是一个细而尖的金属（如钨） 探针，工作原理是量子隧道效应。 由电流密度计算可知，J与极间距成指数 关系，极间距增加0.1纳米时，J改变一个 数量级。
原 理
当针尖在被测表面上方做平面扫描时，即使表 面仅有原子尺度的起伏，电流却有成十倍的变 化。--------通过测出电流变化，来反映表面起 伏。 1）针尖高度，为恒高度模式。（容易损坏针 尖）。 2）恒电流运行模式 把针尖安放在压电陶瓷上，控制电压，是针尖 在扫描中岁表面起伏上下移动，保持隧道电流 不变（即间距不变）
近场光学显微镜的使用技巧与调试方法
近场光学显微镜的使用技巧与调试方法近场光学显微镜（SNOM）是一种基于近场效应的高分辨显微镜，能够实现纳米尺度下的图像采集和表面分析。
本文章将介绍近场光学显微镜的使用技巧与调试方法，希望能为研究人员提供一些帮助。
一、近场光学显微镜的基本原理近场光学显微镜是利用近场效应实现高分辨率成像的一种显微镜。
在SNOM 中，光束通过探测器下方的孔径探针（探头）聚焦到样品表面，形成一个极小的光斑。
样品表面的结构或性质会改变光场的分布情况，这些信息被探针收集并转换成电信号，通过信号处理可以得到高分辨率的图像。
二、近场光学显微镜的使用技巧1. 环境控制：由于近场光学显微镜对环境变化敏感，使用时需确保实验室内的温度、湿度和气流等环境因素的稳定。
特别是对于高分辨率的成像，环境的微小变化可能会对结果产生影响。
2. 探针的选择：探针是近场光学显微镜最关键的部件之一。
在使用时应根据样品的性质和实验要求选择合适的探针，如金属探针、光纤探针等。
另外，探针的制备和处理也需要注意，保证探针的清洁和尖端的光滑度。
3. 样品的准备：样品的制备对于近场光学显微镜的成像结果至关重要。
表面的平整度和洁净度都会影响成像的质量。
在样品准备时应避免产生尘埃或杂质污染，可采用特殊的清洁方法，如超声波洗涤或离子注入。
4. 成像参数的调整：在进行成像前，需要调整一些参数以获得最佳的成像效果。
如探针和样品之间的距离（探测高度）、激光功率、扫描速度等。
这些参数的调整要根据具体的样品特性和要求进行优化，可通过观察成像结果实时调整。
三、近场光学显微镜的调试方法1. 光纤对准：光纤的对准是近场光学显微镜调试的关键步骤之一。
要确保光纤的耦合效率和光束聚焦质量，可通过光功率的最大输出以及成像结果的清晰度来评估调试效果。
2. 探针调试：探针的调试对于获得高质量的近场光学成像至关重要。
可通过调整探针的位置、旋转角度和倾斜角度等来优化探针与样品的接触状态，以获得最佳成像效果。
近场光学显微镜原理
近场光学显微镜原理是使用由熔拉或腐蚀光纤波导所制成之探针，在外表镀上金属薄膜已形成末端具有15nm至100nm直径尺寸之光学孔径的近场光学探针，再以可作精密位移与扫描探测之压电陶瓷材料配合原子力显微技术所提供精确的高度回馈控制，将近场光学探针非常精确地控制在被测样品表面上1nm至100nm的高度，进行三维空间可回馈控制的近场扫描，而具有奈米光学孔径之光纤探针即可做接收或发射光学讯息之用，由此获得一真实空间之三维近场光学影像，因其与样品表面距离远小于一般光波波长，测得的信息皆属近场光学作用的信息，无平常常见的远场光学中绕射极限的光学解析度限制。
2024纳米材料与技术期末考试复习
《纳米材料与技术》期末复习第一章：纳米科学技术的发展历史——1、1959年12月，美国物理学家费曼在加州理工学院召开的美物理学会会议上作了一次富有想象力的演说“最底层大有发展空间”，费曼的幻想点燃纳米科技之火。
2、1981年比尼格与罗勒尔独创了看得见原子的扫描隧道显微镜（STM）。
3、1989年在美国加州的IBM试验内，依格勒博士采纳低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子，实现了人类另一个幻想——干脆操纵单个原子。
4、1991年，日本的饭岛澄男教授在电弧法制备C60时，发觉氩气直流电弧放电后的阴极碳棒上发觉了管状结构的碳原子簇，直径约几纳米，长约几微米碳纳米管。
5、1990年在美国东海岸的巴尔的摩召开其次届国际STM会议的期间，召开了第一届国际纳米科学技术会议，该会议标记纳米科学技术的诞生。
其次章：1、纳米材料的分类：按功能分为半导体纳米材料、光敏型纳米材料、增加型纳米材料和磁性纳米材料；按属性分为金属纳米材料、氧化物纳米材料、硫化物纳米材料、碳（硅）化合物纳米材料、氮（磷）等化合物纳米材料、含氧酸盐纳米材料、复合纳米材料。
按形态分为纳米点、纳米线、纳米纤维和纳米块状材料。
2、纳米材料的四个基本效应：小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。
1）量子尺寸效应与纳米材料性质a.导电的金属在制成超微粒子时就可以变成半导体或绝缘体；绝缘体氧化物相反。
b.磁化率的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关。
c.比热亦会发生反常变更，与颗粒中电子是奇数还是偶数有关。
d.光谱线会产生向短波长方向的移动。
e.催化活性与原子数目有奇数的联系，多一个原子活性高,少一个原子活性很低。
2)小尺寸效应的主要影响：a.金属纳米相材料的电阻增大与临界尺寸现象（电子平均自由程）动量b.宽频带强汲取性质（光波波长）c.激子增加汲取现象（激子半径）d.磁有序态向磁无序态的转变（超顺磁性）（各向异性能）e.超导相向正常相的转变（超导相干长度）f.磁性纳米颗粒的高矫顽力（单畴临界尺寸）3)表面效应及其影响：表面化学反应活性(可参加反应)、催化活性、纳米材料的（不）稳定性、铁磁质的居里温度降低、熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低、纳米材料的超塑性和超延展性、介电材料的高介电常数（界面极化）、汲取光谱的红移现象。
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。
近场扫描光学显微镜的技术特点
近场扫描光学显微镜的技术特点
近场扫描光学显微镜（简称NSOM）是一种高分辨率的显微镜技术，具有以下技术特点：
1. 高分辨率：NSOM的分辨率远远超过传统的光学显微镜。
通过控制光纤探针与样品的距离，可以实现纳米甚至亚纳米级的分辨率。
2. 非破坏性：与传统扫描电子显微镜相比，NSOM不需要特殊的样品处理，可以直接观察生物、有机和无机材料等各种样品，而且不会对样品造成损伤。
3. 真实样品图像：NSOM在扫描过程中可以同时获得物理性质和表面形貌的信息，能够提供更加真实、全面的样品图像。
4. 超局域分辨：利用近场效应，NSOM可以实现超越衍射极限的局域分辨能力，使得显微镜可以观察到纳米尺度下的样品细节和结构。
5. 高灵敏度：NSOM具有极高的灵敏度，可以探测样品的荧光、吸收、透射、反射等性质，适用于多种样品分析和光学测量。
6. 易于操作：NSOM系统操作相对简单，可以实现实时图像显示和数据采集，且具有灵活的样品准备和探针更换方式，便于不同实验需求的实施。
7. 应用广泛：NSOM技术广泛应用于纳米结构研究、生物医学、光学材料、纳米电子器件等领域，为科学研究和工程应用提供了强大的观察和分析手段。
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。
近场光学显微镜的原理及其应用
近场光学显微镜的原理及其应用近场光学显微镜（Near-field Optical Microscope, NSOM）是一种基于光的非接触性成像技术。
它采用了近场光学原理，可以实现对纳米尺度下样品表面的高分辨率成像和操控。
本文将介绍近场光学显微镜的原理以及其在纳米科学研究和生物医学领域的应用。
一、近场光学显微镜的原理近场光学显微镜通过在探针和样品之间形成极小的光学探测区域，利用近场效应获取高分辨率图像。
其原理可以简要归纳为以下几点：1. 近场效应：光波在探针与样品之间经过狭缝或圆形孔径时，会产生出衍射和散射，形成近场光子的光场分布。
近场光子的范围仅限于光源和样品表面之间一个很小的区域，可以实现高分辨率成像。
2. 接近距离探测：近场光学显微镜中的光学探测器与样品之间的距离非常接近，通常为纳米尺度。
通过控制探针与样品的距离，可以实时监测到样品表面的拓扑和特征。
3. 光学信号检测：近场光学显微镜可以检测和记录样品表面传输、反射或荧光等光学信号。
通过分析这些信号，可以获取有关样品表面特性的详细信息。
二、近场光学显微镜的应用近场光学显微镜作为一种高分辨率成像技术，广泛应用于纳米科学研究和生物医学领域。
以下是该技术在这些领域中的主要应用：1. 离子束曝光控制：近场光学显微镜结合离子束曝光技术，可以实现对纳米尺度下材料表面进行精确操控。
通过控制离子束的位置和强度，可以在纳米尺度上刻写出高精度的纹理和图案。
2. 纳米材料研究：近场光学显微镜可以在纳米尺度下观察材料的物理和化学性质。
例如，可以研究纳米颗粒的形态、大小分布以及光学特性，对纳米材料的合成和性能进行表征和优化。
3. 生物分子成像：近场光学显微镜结合荧光标记技术，可以实现对生物分子的高分辨率成像。
通过观察生物分子在细胞或组织中的分布和相互作用，可以深入研究生物分子的功能和机制。
4. 表面等离子体共振成像：近场光学显微镜可以利用表面等离子体共振效应，实现对材料表面等离子体波的激发和探测。
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扫描探针与近场显微技术
Karl Wang
上海迈培光电技术有限公司
技术背景
• 自从1982年Binning与Robher等人共同发明扫描 穿隧显微镜(scanning tunneling microscope, STM)之后，人类在探讨原子尺度上向前跨出了一 大步，对于材料表面现象的研究也能更加的深入 了解。
在此之前，能直接看到原子尺寸的仪器只 有场离子显微镜(Field ion microscopy, FIM)与电 子显微镜(Electron microscope, EM)。
• STM其原理主要是利用电子穿隧的效应来得到原 子影像，材料须具备导电性，应用上有所限制。
技术背景
• 1986年Binning等人利用探针的观念又发展出原子力 显微镜(Atomic force microscope, AFM) ，AFM不但 具有原子尺寸解析的能力，亦解决了STM在导体上的 限制，应用上更为方便。
• 自扫描式穿隧显微镜问世以来，许多类型的探针显微 镜不断被开发出来。
如：扫描式穿隧显微镜(STM)， 近场光学显微镜(NSOM)，磁力显微镜(MFM)，化学 力显微镜(CFM)，扫描式热电探针显微镜(SThM)， 相位式探针显微镜(PDM)，静电力显微镜(EFM)，侧 向摩擦力显微镜(LFM)，原子力显微镜(AFM)等。
SPM家族
**其中，AFM、SNOM/NSOM是最为常用的扫描探针显微镜。
原子力显微镜（AFM）
• AFM是以针尖与样品之间的属于原子级力场作用 力作为探测手段获取表面形貌的显微工具。
• AFM可适用于各种的物品，如金属材料、高分子 聚合物、生物细胞等，并可以操作在大气、真空、 电性及液相等环境，进行不同物性分析，所以它 可以用于获得包括绝缘体在内的各种材料表面上 原子级的分辨率，其应用范围无疑比其它显微分 析技术更加广阔。
AFM工作原理
AFM结构
• AFM之探针一般由悬臂梁及针尖所组成，主要原 理系藉由针尖与样品间的原子作用力，使悬臂梁 产生微细位移，以测得表面结构形状，其中最常 用的距离控制方式为光束偏折技术。
• AFM的主要结构可分为探针、偏移量侦测器、扫 描仪、回馈电路及计算机控制系统五大部分。
• 探针一般由成份Si、SiO2、SiN4、奈米碳管等所 组成。
原子力显微镜（AFM）
• 目前市面上有三种基本操作模式，可区分为接触 式（contact）、非接触式（non-contact）及间歇 接触式（或称为轻敲式，intermittent contact or tapping）三大类。
接触式及非接触式易受外界其它因素，如水分子吸引，而 造成刮伤材料表面及分辨率差所引起之影像失真问题，使 用上会有限制，尤其在生物及高分子软性材料上。
AFM工作模式
• 接触式(Contact mode)：利用探针针尖与待测物表面间原 子力交互作用（接触），使非常软的探针臂产生偏折，当 激光照射探针臂背面，被探针臂反射后经光电探测器（激 光相位探测器）来记录探针臂偏移变化，探针与样品间产 生的原子间排斥力约为10-6至10-9牛顿。
但是，由于探针 与表面有接触，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其是 对软性材质如高分子聚合物、细胞生物等。
不过在较硬材 料上通常会得到较佳的分辨率。
AFM工作模式
• 非接触式(Non-contact mode)：为了解决接触式 AFM可能损坏样品的缺点，非接触式AFM利用原 子间的长距离吸引力-范德瓦尔斯力来运作。
非接 触模式下探针必须不与待测物表面接触，利用微 弱的范德瓦尔斯力对探针之振幅改变来反馈。
探 针与样品之距离及探针振幅必需严格遵守范德瓦 尔斯力原理，因此造成探针与样品之距离不能太 远，探针振幅不能太大(约2至5nm)，扫描速度不 能太快等限制。
样品置放于大气环境下，湿度超 过30%时，会有一层5至10nm厚之水分子膜覆盖 于样品表面上，造成不易反馈或反馈错误。
AFM工作模式
• 轻敲式AFM(Tapping mode)：将非接触式AFM加以 改良，拉近探针与样品的距离，增加探针振幅功能 (10~300KHz)，其作用力约为10-12牛顿，Tapping mode探针有共振振动，探针振幅可调整到与材料表 面有间歇性轻微跳动接触，探针在振荡至波谷时接触 样品，由于样品的表面高低起伏，使得振幅改变，再 利用反馈控制方式，便能取得高度影像。
Tapping mode AFM振幅可适当调整小至不受水分子膜干扰， 大至不硬敲样品表面而损伤探针，XY面终极分辨率 为2nm。
Tapping mode AFM探针下压力量可视为一 种弹性作用，不会对z方向造成永久性破坏。
在x y方 向，因探针是间歇性跳动接触，不会产生像Contact mode在x y方向一直拖曳而造成永久性破坏。
AFM功能技术
• 相位式原子力显微镜 相位式原子力显微镜(Phase Imaging Force Microscope) • 扫描式磁场力显微镜(Magnetic Force Micro 扫描式磁场力显微镜 scope, MFM) • 侧向力显微镜 (Lateral force Microscope, LFM) • 扫描式热梯度探针显微镜 扫描式热梯度探针显微镜(Scanning Thermal microscope, SThM) • 扫描式电场力显微镜 扫描式电场力显微镜(Electrical Force Micro scope, EFM)
AFM功能技术
• 液相原子力显微镜 液相原子力显微镜(liquid cell Force Micro scope ) • 微影操控术 微影操控术(Nanolithography and Nano manipulation)
近场光学显微镜(NSOM)
• 近场光学显微镜是利用纳米量级的高度局域的近 场光获得物体形貌像。
关键问题是必须使探针与 样品间的距离控制在近场（几至几十纳米）尺度 范围内并保持某一恒定值。
因此，精确测控探针 与样品间的距离是近场光学显微镜中的一个很重 要环节。
• 到目前为止，已发展了几种控制探针与样品间距 的测控技术，如：切变力强度测控技术，接触型 测控技术，隧穿电流强度测控技术，近场光强度 测控技术。
切变力强度测控技术
• 切变力强度测控技术是Betzig等人提出的，是利 用探针针尖与样品间的横向切变力进行探针与样 品间距控制。
当使探针平行于样品表面的方向以 探针的机械共振频率颤动并向样品表面接近时， 在探针垂直接近到样品表面几十纳米高度时，探 针与样品间的相互作用将产生横向切变力。
此时， 探针的颤动幅度会因受切变力的阻尼而减小，于 是探针颤动幅度的大小就反映了针尖至样品的距 离。
因此，用反馈方法维持针尖颤动的幅度，就 能使针尖至样品的距离保持在某一恒定值。
结构特点
• 模块化设计，简易，配置灵活
NSOM工作模式
应用
Transmission SNOM of Plasmid DNA
Comparison of transmission SNOM image of plasmid DNA (left) with topographical image of the same sample area (right). Due to light scattering, the plasmid DNA appears bright in transmission mode.
2013.9
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