多功能扫描探针显微镜的研制和应用

论文摘要

扫描探针显微镜是近二十几年发展起来的一种纳米分辨的成像分析仪器,它利用细小的扫描探针来探测样品表面的细微信息,突破了常规光学显微镜衍射极限的限制,可对样品表面纳米尺度信息进行扫描成像,是纳米科学技术发展中重要的测量工具。本文的主要内容是多功能扫描探针显微镜（即原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF/PSTM）和原子力与反射式扫描近场光学组合显微镜（AF/RSNOM））的研制和应用。 论文内容主要分为五个部分: 第一部分是有关显微镜的历史进展及其原理和应用,从显微镜的应用着手,简要介,绍了从普通显微镜到扫描探针显微镜的发展过程和各种显微镜的特点,并介绍了扫描隧道显微镜、原子力显微镜和扫描近场光学显微镜的工作原理,然后着重介绍了近场光学成像的原理和近场光学的探测方法,并比较了各种探测方法的优缺点。在对比了目前唯一的扫描近场光学显微镜商品——小孔径扫描探针显微镜（A-SNOM）和光子扫描隧道显微镜（PSTM）之后,提出发展PSTM的优势,这是课题的起始缘由。 第二部分介绍了近场光学的理论研究方法,从宏观近场光学理论开始,介绍了麦克斯韦方程和边界条件方法、应用于小起伏样品的微扰近似方法、适合于局域变化大的多极子展开法和适合于模拟几何空间尺寸在几个波长数量级的时域有限差分法。在介观和微观近场光学理论中,则介绍了以散射理论为基础的格林函数方法和极化率方法,它们虽然避免了边界条件的求解问题,但也只有简单系统的格林并矢才比较容易求出其解析解的形式。这些理论方法是近场光学理论研究的基础。 第三部分详细介绍了原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF/PSTM）的研制过程和实验结果。因为一般的PSTM系统的光学图像中存在假像,因此在详细介绍了消假像理论的基础上开展了AF/PSTM的研制工作。从系统的设计要求开始,逐步介绍了AF/PSTM的主机设计、电子系统设计、处理软件设计和AF/PSTM的主要部件如弯光纤探针和扫描压电陶瓷的设计,并介绍了易于调节的非相干、p偏振光对称照明系统的实现方法和扫描图像的采集及图像的物理意义。其中为实现非相干、p偏振光对称照明,设计了提高p波偏振度的全内反射样品台,两个半导体激光器发出的偏振光从对称方向以布儒斯特角在水平方向入射,然后在样品上方同一个位置发生全内反射。采用水平方向入射解决了全内反射对称照明光束的调整难题,同时,采用两个激光器可以实现非相干光照吼使得光学图像不受干涉条纹的影响,保证了光学图像的质量。在仪器研制成功后对仪器

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 显微镜的发展历史
• 1.1 显微镜的应用
• 1.2 普通光学显微镜
• 1.2.1 普通光学显微镜的发展历史
• 1.2.2 普通光学显微镜的原理和基本结构
• 1.3 电子显微镜
• 1.3.1 电子显微镜的发展状况
• 1.3.2 电子显微镜的原理
• 1.4 扫描探针显微镜
• 1.4.1 扫描隧道显微镜
• 1.4.2 原子力显微镜
• 1.4.3 扫描近场光学显微镜
• 1.5 本论文的主要内容
• 2 近场光学扫描成像原理
• 2.1 超分辨衍射极限的可能性
• 2.1.1 海森伯测不准原理与瑞利判据的关系
• 2.1.2 海森伯测不准原理与超衍射极限的关系
• 2.1.3 超衍射极限与隐失场
• 2.2 隐失场的探测
• 2.2.1 隐失场探测的原理
• 2.2.2 隐失场探测的主要难题和解决方法
• 2.3 本章小结
• 3 近场光学的理论研究方法
• 3.1 宏观近场光学理论
• 3.1.1 麦克斯韦方程和边界条件方法
• 3.1.2 微扰近似法
• 3.1.3 多重多极子（Multiple MultiPole，MMP）方法
• 3.1.4 时域有限差分法（FDTD）
• 3.2 介观和微观近场光学理论
• 3.2.1 格林函数方法
• 3.2.2 场极化率方法
• 3.3 本章小结
• 4 新一代原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF／PSTM）
• 4.1 PSTM的物理机制和隧道信息
• 4.2 第一代PSTM及其存在的问题
• 4.3 PSTM消假像
• 4.3.1 PSTM中图像分解方法
• 4.3.2 C.Bainier，D.Courjon和F.Baida采用的对称照明PSTM系统
• 4.3.3 PSTM中照明光束的问题
• 4.4 理论计算证实近场的分辨率远高于远场的分辨率
• 4.5 AF／PSTM的设计
• 4.5.1 AF／PSTM系统结构设计
• 4.5.2 AF／PSTM主机设计
• 4.5.3 AF／PSTM的电子系统设计
• 4.5.4 AF／PSTM控制处理软件设计
• 4.5.5 AF／PSTM扫描探针的制备和安装
• 4.5.6 扫描压电陶瓷管
• 4.5.7 p偏振光照明系统设计
• 4.5.8 AF／PSTM图像的采集和图像解释
• 4.6 AF／PSTM仪器功能考核
• 4.6.1 2.4kpl／mm（2400线对每毫米）光栅样品
• 4.6.2 1kpl／mm全息光栅样品
• 4.6.3 对称光束照明消假像的理论证明
• 4.6.4 小结
• 4.7 AF／PSTM的应用
• 4.7.1 带孔的氟化镁薄膜样品
• 4.7.2 血红细胞膜样品
• 4.7.3 免疫复合物样品
• 4.7.4 红血球切片样品和海湾扇贝精巢切片样品
• 4.7.5 不经过任何处理的生物样品
• 4.7.6 纳米燃油添加剂样品
• 4.7.7 不透明样品
• 4.8 探针对扫描图像的影响
• 4.9 本章小结
• 5 轻敲模式的原子力与反射式扫描近场光学组合显微镜（AF／RSNOM）
• 5.1 AF／RSNOM的研制背景
• 5.2 反射式扫描探针显微镜的背景噪声
• 5.3 对称照明的RSNOM中没有不对称照明引起的光学假像
• 5.4 AF／RSNOM的工作原理
• 5.5 AF／RSNOM的图像采集和图像解释
• 5.6 AF／RSNOM的实验结果
• 5.6.1 光学玻璃基底上的带孔的氟化镁薄膜样品
• 5.6.2 1kpl／mm的全息光栅样品
• 5.7 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 问题后续工作
• 6.3 展望
• 7 参考文献
• 8 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 9 创新点摘要
• 10 致谢
• 11 大连理工大学学位论文版权使用授权书