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基于单量子点探针的扫描近场光学显微镜研究

潘冰洋  
【摘要】:量子点、荧光分子、上转换荧光纳米颗粒及色心等纳米发光体的发光性质对周围环境非常敏感,为此可用作传感器实现纳米尺度内光、电、磁、热等多物理场的测量。由于纳米发光体的尺寸极小(单量子点10 nm,Nv色心~1 nm),理论上可以得到优于10 nm的空间分辨率。为实现上述设想,在实验中人们用纳米发光颗粒修饰探针尖端的原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)对样品进行扫描成像,将光学的分辨本领推进到了 1/10波长之下,但因为AFM探针缺乏光收集能力,这种方法只能用于薄透明样品。为解决上述问题,我们发展了一种新型纳米光纤探针技术,其不仅具备AFM探针的形貌扫描能力,同时可以获得较高的光收集效率(~10%),为实现通用的基于量子点探针的扫描近场光学技术提供了技术手段。传统的用于光信号收集的纳米光纤探针主要有三方面的缺点,即脆弱易损坏、扫描稳定性差与光收集效率低。特别是对于表面修饰量子点的探针,由于其尖端经化学修饰,在近场光学测量中很难获得的稳定的扫描。在本文中,为解决上述问题,我们从原理上探讨光纤探针性能与其几何设计的关系,发现影响光纤探针的收集效率和机械强度关键参数是纳米探针顶角的大小。小的顶角不仅使探针尖端易碎,而且由于收集角度小以及光纤尖端长颈部不能支持传播模式而光泄漏严重,导致光收集效率低。然而,通过当前制造方法(即热拉法和化学腐蚀法)制成的尖端的顶角通常小于40°。为了突破这个限制,我们发展了一种纳米金字塔光纤探针,它基于模板印刷的技术(UV压印技术)来制造,可以高效率的重复生产。纳米金字塔尖端具有大的顶角(70.5°),与传统的热拉法制备的锥形光纤尖端相比,信号收集效率显着提高(17倍)。此外,由于模板复制的制造方法和表面处理技术,量子点修饰的纳米金字塔尖端具有清洁和光滑的表面,同时这也在一定程度上解决了量子点探针的保存问题。实验结果表明,基于我们制备的纳米发光探针的扫描近场光学显微术(Scanning Near-field Optical Microscopy,SNOM)可实现形貌-光学像的双重扫描,并获得了最高20nm的光学分辨率(λ/20)。它为近场光学测量提供了强大而可靠的工具。本文安排如下。第一章介绍了扫描近场光学显微术的研究背景。第二章详细介绍了单量子点修饰的纳米金字塔光纤探针的制备工艺。第三章从实验和理论上比较不同探针的光收集效率。第四章在纳米结构的测量实验中测试了新型近场光学探针的性能。


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