纳米光子概念
半导体材料的光吸收，过程及原理半导体材料通常能强烈地吸收光能，具有数量级为105cm-1的吸收系数。本征吸收：光照后，电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收称为本征吸收。光子能量满足的条件：
其中， 是发生本征吸收的最低频率限，相应的 为长波极限，称为半导体的本征吸收限。本征吸收长波限的公式：
本征吸收：直接跃迁和间接跃迁。直接跃迁—— 直接带隙半导体电子吸收光子从价带顶跃迁到导带底状态。满足能量守恒：满足动量守恒：光子动量由于光子动量远小于电子动量所以k=k ′即跃迁的过程中，电子的波矢（ k ）可以看作是不变的---电子跃迁的选择定则。只有光子参与跃迁时，电子跃迁前后的波矢不变，电子初态和末态几乎在一条竖直线上---直接跃迁。本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限
在直接跃迁中，对任何k 值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子能量关系为：
间接跃迁——间接带隙半导体电子吸收光子从价带顶跃迁到导带底的过程中， 这类半导体称为间接带隙半导体。非直接跃迁是电子、光子和声子共同参与的跃迁。Kk ’≠Eh EEE ν = ?= 电子能量差()kk q ′?= 光子动量其中，Ep 为声子的能量；q 为声子的动量。在非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子，电子波矢k 发生改变----间接跃迁。
激子吸收光子能量hv 结合在一起成为一个新的系统，这种系统称为激子，这样的光吸收称为激子吸收。激子作为整体是电中性的，不形成电流，可以在晶体中运动一段距离后再复合湮灭，不显示光电导现象。激子消失的途径：通过热激发或其它能量的激发，使激子分离成为自由电子或空穴；激子中的电子和空穴通过复合，使激子消灭而同时放出能量（发射光子或同时发射光子和声子）激子吸收谱激子吸收谱必须在低温时才能观察到。第一个吸收峰对应光子能量为 ，n 值越大，激子能级准连续，与本征吸收光谱合并。室温下，激子吸收峰完全被抹掉自由载流子吸收对于一般半导体材料，当入射光子的频率不够高，不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，而且其强度随波长增大而增加。这是自由载流子在同一带内的跃迁所引起的，称为自由载流子吸收。与本征跃迁不同，自由载流子吸收中，电子从低能态到较高能态的跃迁是在同一能带内发生的。和本征吸收的非直接跃迁相似，电子的跃迁也必须伴随着吸收或发射一个声子。因为自由载流子吸收中所吸收的光子能量小于hv ，一般是红外吸收。p 型Ge 中发现三个自由载流子的吸收峰。p 型GaAs 中也有类似现象。杂质吸收束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子可以吸收光子跃迁到导带能级；空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带（或者说电子离开价带填补了束缚在杂质能级上的空穴）。这种光吸收称为杂质吸收。杂质吸收也引起连续的吸收光谱。杂质吸收一定在本征吸收限以外长波方面形成吸收带。杂质能级越深，能引起杂质吸收的光子能量也越大，吸收峰比较靠近本征吸收限 晶格振动吸收晶体吸收光谱的远红外区，有时还发现一定的吸收带，这是晶格振动吸收形成的。在这种吸收中，子能量直接转换为晶格振动动能。对离子晶体或离子性较强的化合物，存在较强的晶格振动吸收带；在砷化镓及半导体锗、硅中，也都观察到了这种吸收带。 半导体的光电导光吸收使半导体中形成非平衡载流子；而载流子浓度的增大必然使样品电导率增大。这种由光照引起半导体电导率增大的现象。本征光电导：本征吸收引起载流子数目变化。杂质光电导：杂质吸收引起载流子数目变化。光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n 结等）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n 结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引起的光电效应。半导体发光电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子, 这就是 半导体的发光现象。 产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即半导体内必须要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。 １.表面等离子基元定义、性质、激发方式 定义：spp 是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。性质：a.其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。b.在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。c.表面等离激元的色散曲线在自然光的右侧 ，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。激发方式：采用棱镜耦合的方式、波导结构（利用波导边界处的消逝波激发表面等离子体波，使波导中的光场能量耦合到表面等离子体波中）、采用衍射光栅结构、采用强聚焦光束、采用近场激发、远场光直接激发(局域表面等离子体振荡)SPP 的色散关系为01212=k βεεεε+，当0ω≈时，2()εω→-∞，则0k β≈，此时色散曲线与光锥无限接近，场渗入电介质中很多个波长，这与索墨菲-泽尼克掠入射波相似。而当ω增大时，2()εω变为复数，由于SPP 的束缚特性，色散曲线在光锥线的右侧，并且在辐射场区域与束缚场区域中间的频率处，β为纯虚数，光不能传播。当sp ωω→时，β→∞，这时群速0g ν→，从而具有静电场性质。纳米材料的特性，一些特殊的效应：三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料. 零维纳米材料：量子点，纳米粒子；一维纳米材料：如纳米线、纳米管、纳米带；二维纳米材料：如单分子膜、纳米膜层、量子阱。纳米块体（纳米组装体系，纳米结构）宏观量子现象及宏观量子隧道效应：宏观领域出现的量子效应称为宏观量子效应，例如超导电流是由库伯对产生的，其电流是2e 的整数倍，再如BEC 。宏观量子效应是由大量的微观粒子形成的一类高度有序、长程相干的状态。大量粒子的整体运动，就如同其中一个粒子的运动一样，因为一个粒子的运动是量子化的，则这些大量粒子的运动可表现为宏观的量子效应。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。量子尺寸效应：介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。 例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下 必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与)磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略。球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略。库仑堵塞效应库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一．当体系的尺度进入到纳米级，体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec 为e2/2C，体系越小，C越小，能量越大。这个能量称为库仑堵塞能。换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输．通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。特殊的力学性质纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力的作用下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。特殊的光学性质当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。特殊的磁学性质小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6×10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。此外，超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等。4.石墨烯。C纳米管基本特性1985年，英国Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇，质谱分析发现C60和C70的新的谱线。C60具有高稳定性的新奇结构，它是一个32面体，其中有20个六边形和12个五边形所构成。纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后就成为具有金属性的导体，适当的掺杂成分可以使C60固体成为超导体。Ｅ＝Ｖ＋Ｆ－２，Ｅ＝９０为棱数，Ｖ＝６０顶点数，Ｆ＝３２面数。石墨烯具有特殊的力学性质，结构是稳定的，强度强。石墨烯还有很好的光学性质，它几乎是透明的。石墨烯具有超强的导电性，，石墨烯中的电子具有类似相对论性电子的性质。石墨烯在室温下还有量子霍尔效应，半导体在极低温下才具有这种效应。C60分子很稳定，可抗辐射、抗化学腐蚀，但易于放出电子。C60和碱金属形成的化合物具有超导性，是非常好的有机超导体。C60和C70溶液具有光限幅特性。晶体管，整流器，磁阻效应。单分子气体侦测，石墨烯纳米带，透明导电电极，超级电容器，石墨烯生物器件，抗菌物质，“太空电梯”缆线，代替硅生产超级计算机，作人工光合作用高效催化剂，用于锂离子电池技术，制作纳米变压器碳纳米管(CNT)由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管.碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。当30度时，卷成扶手椅型碳纳米管，指数（n, n);0°时，卷成锯齿型碳纳米管，指数（n, 0);当 介于0°和30°之间时，卷成手性型碳纳米管，指数（n, m)。碳纳米管具有优良的性能A)优良的耐酸碱性能b)依赖直径大小和螺旋性的金属或半导体的特性c)超强的力学强度和长径比d)碳纳米管取向杂乱、相互缠绕，限制对其物理、化学性质的研究和实际应用e)具有极好的可弯折性f)具有极好的可扭曲性。强度比钢高，比重比钢小；具有极高的韧性。碳纳米管可以制作成两维数据存储系统；原子力显微镜针尖，优点：纳米级直径，高的长径比，高的机械柔软性，电子特性确定；分辨率高，探测深度深，可进行狭缝和深层次探测。传感器优点：超灵敏，应用范围广，蛋白的生理活性的测定应用：医疗方面对糖尿病的检测。大规模集成电路、超导线材。场发射显示、储氢和储能、单电子晶体管、高能微型电池、高能电容器、计算机芯片导热板高温防护材料。潜在应用分离分析技术。如：色谱填料，毛细管电泳，MALDI基质，修饰电极等。材料技术。如：光导材料、复合材料，磁性材料等，微电子技术。分子级的催化剂。纳米级反应器，仪器的微型化当碳纳米管直径远小于光波波长时，偏振方向垂直于碳纳米管轴向的光子不会被碳纳米管吸收，而偏振方向平行于碳纳米管轴向的光子则会被吸收掉。因此，将碳纳米管（或碳纳米管线）沿一定方向排列起来，就可以构成偏振片。5光子晶体基本概念定义、特性成因、概念：是一种介电常数周期性调制的微结构材料，尺度为波长量级；电子在周期场中传播时，由于会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。电磁波在周期性电介质材料中传播时，由于受到调制而形成光子能带结构，频率落在带隙内的电磁波不能通过介质而被全部反射，即形成光子带隙。光子带隙:在一定频率范围内的光子在光子晶体的范围内的某些方向上是禁止传播的。完全带隙：在一定频率范围内，任何偏振与传播方向的电磁波都能被严格禁止。这种情况只有在三维晶体中才能实现。特性成因：a 抑制自发辐射：带隙中密度为零，自发辐射几乎为零，这也也抑制了自发辐射b光子局域化：当光子晶体原有的对称性遭到破坏时即有了缺陷，在光子晶体中禁带就有可能出现频率极窄的缺陷态或局域态，与缺陷频率符合的光子会被局域在缺陷位置，而不能向空间传播。可能应用：a无损波导b量子力学在新奇环境下光与物质相互作用c微尺度设备的广阔领域。用于制作光子晶体偏振器件、光子晶体微波天线、光子晶体棱镜、光子晶体光纤光子晶体波导等在光通信光电集成方面与电子材料的区别：薛定谔方程-亥姆霍兹方程，半导体-光子晶体，原子周期排布-介电常数周期变化，原子尺度-波长量级，自然结构-人工结构，控制电子移动-控制电磁波传播。自然界的光子晶体a蛋白石，含二氧化硅的地下水渗入岩缝沉积而成，沉积1cm的蛋白石约需500万年。结构：周期性六角(hexagonal)晶格排列，它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，带隙范围与二氧化硅直径及入射角有关。因蛋白石是由大小方向不一的光子晶粒组成的多光子晶系， 反射光因而呈现迷人的缤纷色彩。b 蝴蝶翅膀排列整齐的亚微米结构其选择性反射日光c 海老鼠的毛具有六角晶格结构当光线垂直入射时毛刺呈现红色，随入射角的偏离颜色越偏向蓝绿色6微腔的品质因子、精细度、自由谱宽度微腔：光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。由于腔体积的减小，腔内通常只能支持一个或者几个光学模式的谐振，因而置于腔内的原子或者分子的自发辐射性质会受到影响从而得到激光出射；最简单模型：C-J 模型，即单模场与二原子能级作用；三种典型微腔：a F-P 腔（Q 不高，模式体积大）b 回音壁模式微腔（轴对称，全内反射对光控制，Q 很高，容易集成）c 光子晶体微腔（引入缺陷Q 高，模式体积小）。微腔的三个重要参数：a 自由波谱范围Δλ依赖于腔长。Eq1,m*1/2λ1=nd,m=2nd/λ1,Eq2 (m-1)*1/2λ2=(m-1)*1/2(λ1+Δλ)得到Δλ=λ12 ，当λ1<<2nd 时，Δλ≈λ 12/2nd ，d 越小，Δλ越大。腔内波为y=y 0exp(i(k 0x-w 0t)),x=0，t=0, k 0x-w 0t,传播x 距离时间t=k 0x/w 0=2πnx/ωλ0=Tnx/λ0,t RT =T2nd/λ0=T λ02nd/λ 02 =T λ0/λ0得到Δλ/λ0=T/t RT .b 品质因子Ｑ()()0 222u t StoredEnergy Q du t EnergyLostPerOptCycle T T dt ωπππ====Γ?Γ-?00Q ωωδω==Γ。ｃ F λ ωδλ δω??==0002RT T StoredEnergy F Q Q t EnergyLostPerRoundTrip ωωωωπδωδωωω???==?=?=?=模式体积Ｖ？ 7提高传统显微镜分辨率方法：理论公式：分辨率=0.61*光波长/N.A.所以要提高分辨率就要用波长更短的照明光，及增大物镜的数值孔径。提高分辨率的方法是增加数值孔径 NA ，数值孔径越大则显微镜分辨率越高。例如油浸物镜，使数值孔径增大到 1.5 左右，另一种做法是增大显微镜物镜的孔径角θ ，可以采用复合透镜的方法，但用这种方法 NA 只能增大到0.95。远场光学：共聚焦显微镜：是一种利用逐点照明和空间针孔调制来去除样品非焦点平面的散射光的光学成像手段，相比于传统成像方法可以提高光学分辨率和视觉对比度。原理：从一个点光源发射的探测光通过透镜聚焦到被观测物体上，如果物体恰在焦点上，那么反射光通过原透镜应当汇聚回到光源，这就是所谓的共聚焦，简称共焦。共焦显微镜在反射光的光路上加上了一块半反半透镜，将已经通过透镜的反射光折向其它方向，在其焦点上有一个带有针孔，小孔就位于焦点处，挡板后面是一个光电倍增管。探测光焦点前后的反射光通过这一套共焦系统，必不能聚焦到小孔上，会被挡板挡住。于是光度计测量的就是焦点处的反射光强度。其意义是：通过移动透镜系统可以对一个半透明的物体进行三维扫描。双光子显微镜：双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。原理：在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，发射出一个波长较短的光子；其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的。而长波穿透性较强，焦平面外的荧光分子不被激发使较多的激发光可以到达焦平面，使激发光可以穿透更深的标本。7.提高传统光学显微镜分辨率：共焦：从一个点光源发射的探测光通过透镜聚焦到被观测物体上，如果物体恰在焦点上，那么反射光通过原透镜应当汇聚回到光源，这就是共聚焦。共焦显微镜在反射光的光路上加上了一块半反半透镜，将已经通过透镜的反射光折向其它方向，在其焦点上有一个带有针孔的挡板，小孔就位于焦点处，挡板后面是一个光电倍增管。探测光焦点前后的反射光通过这一套共焦系统，必不能聚焦到小孔上，会被挡板挡住。于是光度计测量的就是焦点处的反射光强度。照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的，焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和发射针孔，焦平面以外的点不会在探测针孔处成像，这样得到的共聚焦图像是标本的光学横断面，提高了传统光学显微镜的分辨率。油浸(SIL) 结合光子隧道（PTM ） ：高折射率（1.5-4）可使横向分辨率可达 200nm,隧道效应提高纵向分辨率。数值孔径增强（NAIL ）相当于半个SIL,有亚表面成像能力4倍于硅透镜，分辨率120nm.表面等离子体共振SPR ;光栅激发,分辨率3微米,对膜厚度及折射率敏感。液体浸润方式,分辨率小于1微米,透过焦点不同方向的分辨率不均匀。SNOM ：分辨率约为 50nm,可做三维扫描无孔SNOM ：极端尖的电介质,半导体或金属作为瑞利散射探针,通过针尖与样品的作用产生局域扰动,激发到远场.分辨率约1nm SPNM:在光栅-银-空气界面激发Sp 模式，反射信号减小,但STM 尖的扰动增强了反射信号,分辨率约为3nm 。SNEM:AFM 与nulling ellipsometer 的结合,达到纳米量级分辨率扫描近场光学显微镜在近场光学显微镜中,传统光学显微镜中的镜头被细小的光学探针所代替,其尖端的孔径远小于光的波长.当把这样的亚波长光孔放置在距离物体表面一个波长以内,即近场区域时,可以探测到丰富的亚微米光学信息,而这些精细结构信息仅仅存在于表面的非辐射场内。近场探测原理近场光学探测是由一系列转换完成的:(1)当用传播波或倏逝波波照射高空间频率的物体时,将产生倏逝波;(2)这样产生的倏逝波不服从瑞利判据。这些场在远小于一个波长的尺度的局部范围内有很大的变化;(3)根据互易原理,这些不可探测的高频局域场可以通过微小物体的转换而将这个倏逝场转换为新的倏逝场以及传播场;(4)传播场被适当的远距离探头所记录。在这里,由倏逝场到传播场的转换是线性的,即探测到的场强与相应的倏逝场中的 Poynting 矢量成比例,因此探头获得的信息准确反映精细结构的局部变化,当用一个微小物体(如光纤探针的尖端) 进行平面扫描时,就可以得到二维图像。综上所述,由传播场到隐失场的转换是通过衍射或绕射机制实现的,反之亦然。这样的逆转换相应于光子的隧道效应工作原理(1)探针:与 STM 中的金属探针和 AFM 的悬臂探针不同的是, SNOM 采用介电材料探针,可以发射或接受光子,尖端尺度在 10～100nm,以能够将收集到的光子传送到探测器,探针可用拉细的锥形光纤,四方玻璃尖端,石英晶体等制成,探针的核心问题是小尺度和高的光通过率。(2)信息探测:由于光子信息均来自于纳米尺度区域,信号强度一般很低(～nw/cm2),因而需经光电倍增管、光二极管、光子计数或电荷耦合器件(CCD)将光信号转换为电信号而放大,同时利用调制-锁相放大技术抑制噪声,以提高信噪比。(3)探针-样品间距控制:理想的调控方法应当是与光信号的探测完全独立的机制,以使待测信号不受干扰,避免引入复杂性。而实际方案中则难于避免这一问题,目前常用的方法有: i)隐失场调控:利用隐失场强度随 z 增加而指数下降关系,将探针放入隐失场里,控制范围 0～lambda/(30～40),这种方法中,探测光信号与调控信号有较强相互影响。ii)切变力调控:当以本征频率振荡的探针靠近样品表面时(< 50nm),由于振荡的针尖与样品间作用力,其振荡幅度及相位均会有较大变化,利用这个变化可以将探针控制在 z= 5～20nm 范围, 比较成熟的方案有切变力调控方式,双束干涉, 共振音叉和超声共振方式等。应用1单分子观测2 生物结构的荧光观测结合荧光标示技术和荧光光谱3量子结构的荧光光谱诊断利用相应的低温装置，具有更精细的谱结构特性4磁光介质光存储5微加工和光子印刷术6半导体及光电介质中的缺陷结构与折射率分布分析光刻过程气体相成底模处理，旋转涂胶，软烘，对准和曝光，曝光后烘焙，显影，显影检查，坚膜烘焙正负 光刻胶的特点：根据曝光前后光刻胶膜溶解性质的变化又可分为正型光刻胶和负型光刻胶,曝光后溶解度增大的为正型光刻胶,溶解度减小的为负型光刻胶.划分光刻胶的一个基本的类别是它的极性.正性胶的分辨力往往是最好的,因此IC制造中的应用更为普及,但MEMS系统中,由于加工.要求相对较低,光刻胶需求量大,负性胶仍有应用市场.常用的负性胶都是基于主链和下垂的从链之间的十字链接加强使曝光后胶不可溶的原理.负性胶的一个缺点;曝光必须在氮气环境中进行;负性胶的另一缺点是胶膜厚度受到限制,因为十字链接反应过程发生在光最先到达的薄膜表面.需要过曝光以保证基体表面的胶不可溶,胶要求的厚度越厚,完成聚合反应需要的剂量就越多,散射的机会就越大.散射反过来又降低可获得的分辨力。正负光刻胶比较1曝光显影过程不同,正性胶在曝光区间显影,负性胶则相反;2负性胶和正性胶边界漫射光形成的轮廓不同.负性胶由于曝光区间得到保留,漫射形成的轮廓使显影后的图象为上宽下窄的图像;而正性胶相反,为下宽上窄的图像;3正胶溶于强碱,显影剂采用中型碱溶液,而负性胶多采用有机溶液，如二甲苯溶液4加工中可获得的特定几何图形不同,用负性胶可轻易获得孤立的单根线,而正性胶可轻易获得孤立的洞和槽5负性胶成本低,正性胶昂贵6 负性胶采用有机溶液处理,对生态环境不利,而正性胶采用水溶液,受环保人士欢迎7)负性胶相对于正性胶分辨力较低。超材料概念具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料或复合结构.性质:通常是具有新奇人工结构的复合材料；具有超常的物理性质,往往是自然界的材料所不具备的；性质往往不主要决定于构成材料的本征性质,而决定于其中的人工结构。应用：导波,色散补偿,小尺寸天线抗反射和高反射涂层,光束整形,超透镜。光刻的分类及特点光学光刻光学光刻的分辨率决定了芯片上单个器件的最小尺度,数值孔径NA的不断增大已经给光刻系统的设计和加工带来相当大的难度,特别NA大0.6以后,每增0.05,设计和加工的难度就要增加一倍或更多.因此缩短曝光波长是提高光刻分辨率的最有效途径.波长越短，数值孔径NA越大,投影光刻系统的焦深就越小.投影光刻系统分辨率的提高是以牺牲焦深为代价,焦深的减小意味着对硅片表面平整度的要求更加苛刻。当焦深接近或小于硅片表面平整度时,将使得曝光的均匀性降低,难以在硅片上刻出清晰的图形,从而降低光刻质量.这给大面积超薄晶圆的加工增加了额外难度,而采用大面积晶圆是增加产能降低成本的主要途径之一.因此焦深成为限制对越来越细的器件图形在大面积范围内进行光学光刻的主要因素极紫外光刻EUVL极紫外光刻采用波长为10-14nm的极紫外光作为曝光光源.该波段的光在光学材料中的吸收强烈,其光学系统必须采用反射形式.EUVL 与以前的所有光学光刻都很不相同,由于波长为的极紫外光在材料中的强烈吸收,在它的聚光和成像光学系统中采用了一系列共振反射器,这EUVL 光学系统是一个很大的限制X射线光刻射线的波长很短0.1nm-50nm曝光时通过掩模后的衍射和散射几乎可以忽略,可获得较高分辨率的图形.产生X射线普遍采用的是昂贵的同步辐X射线源,这限制X射线光刻大规模的推广和使用。由于 X 射线穿透力很强,目前多数的光学系统不能对它进行反射或折射,因此多采用接近式曝光.掩模版的制作也X射线接近式光刻的关键工艺,由于接近式曝光采用的是1:1的掩模图形,即掩模版的图形和传递到芯片上的图形大小一样,因此这种掩模在制作方面比起投影光刻中所用的掩模要困难得多,同时还难于获得具有良好机械物理特性的掩膜衬底。因此，关于掩模和X射线光源的研究一直X射线光刻的热点问题.但是由于X射线的超强穿透能力,适用于制作大深宽比微结构,因此,XRL在微机械,微系统中同样具有广阔的应用前景电子束光刻EBL电子束光刻采用高能电子束对抗蚀剂进行曝光从而获得结构图形,由于电子束的德布罗意波长0.004nm左右因此EBL几乎不受衍射效应的影响,可获得极高的分辨率和焦深,并能直接产生图形.当前EBL广泛应用于光学和非光学光刻技术中的高精度掩模制造，同时也是加工用于特殊目的的器件和结构的主要方法.由于EBL生产效率低,远小于目前对光刻产能的要求,限制了其进一步使用因此，在高分辨条件下获得更高的生产效率是EBL研究的重点离子束光刻IBL采用液态原子或气态原子电离后形成的离子通过电磁场加速及电磁透镜的聚焦或准直后对涂在硅片上的抗蚀剂进行曝光.IBL,技术的原理与电子束光刻类似,只不过离子的质量比电子更大,德布罗意波长更短小于 0.0001nm,具有邻近效应小分辨率比EBL高等优点,但同时由于离子质量较重,使得在抗蚀剂上的曝光深度有限,一般不超过0.5 m 量子点是由少量原子所构成的体积很小的固体材料,量子点的尺寸一般在100纳米以下,外观恰似一极小的点状物,其内部电子在各方向上的运动都受到局限,所以量子局限效应特别显著.由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构,又称人造原子.特点1)量子点的激发光波长范围很宽,这使得单个波长可激发所有的量子点，用同一激发光源即可实现多通道检测2)可以通过调整量子点的尺寸来得到不同的荧光发射,无需改变粒子的组成和表面性质,利用同一种材料即可实现多色标记3)量子点具有较大的斯托克斯位移和狭窄对称的荧光谱峰,所标记的生物分子的荧光光谱易于区分和识别4)量子点比较稳定,荧光光谱几乎不受周围环境(如溶剂pH值温度)的影响5)生物相容性好6)量子点的荧光寿命长应用1)量子点材料在发光,激光器,生物及医学等领域具有十分广阔的应用前景.量子点发光的颜色可通过改变量子点尺寸表面特性及材料等多种方法来控制,而且其发光效率高,因而可用来制作高效率发光元器件2)量子点激光器,优点阈值电流密度远远低于传统激光器和量子阱激光器3)在生物和医学上的应用化学气相沉积是一种用来生产纯度高性能好的固态材料的化学技术.半导体产业用来生产薄膜.典型流程是将晶圆暴露在一种或多种不同的前驱物下,在基地表面发生化学反映或化学分解来生产欲沉积的薄膜。产生副产品,被空气带走.生成活化的气相反应物将反应物输送到沉积区,以扩散方式将反应物从主气流经边界层输送到基材表面.气相反应物在气相反应中生成中间产物.在基材上的气体反应物发生吸附,以及在气固表面,沉积物会沿着加热的基材表面扩散形成晶种从而终成膜.气体副产物通过扩散或对流从边界层出去,未反应的气体前驱物和副产物从沉积室中输送出去