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基于单量子点修饰微金字塔光纤探针的扫描近场光学显微镜研究

杨玉龙  
【摘要】:扫描近场光学显微术(Scanning Near-field Optical Microscopy,SNOM)是一种基于扫描探针的光学显微技术,其核心思想是用一个亚波长直径尖端的探针,将光近场的高空间频率分量转换为可探测的远场信号,从而实现超分辨的光学成像。探针是近场光学技术中一个核心部件,探针的性能在很大程度上会决定整个系统的成像能力,纳米发光体探针是近场光学探针中的一个重要分支。纳米发光体是指如量子点、荧光分子、上转换纳米荧光颗粒、色心等荧光颗粒,在一定波长的泵浦光激发下,纳米发光体会发出荧光信号,其荧光特性会受到光场、温度、力、电磁场、局域态密度等多种物理场和物理因素的调控,这使得纳米发光体成为了进行多物理场探测的有力工具。此外,纳米发光体的尺寸普遍较小,量子点(~10nm),色心(~1nm),理论上可以得到优于10nm的空间分辨率。纳米发光探针SNOM结合了纳米发光体的荧光探测特性与SNOM技术的空间扫描能力,可以实现对于空间内多物理场的扫描成像。本文围绕纳米发光探针SNOM两个关键性的问题展开。第一个问题是光学探针的通光效率问题。传统的光纤探针,如热拉法和化学腐蚀法探针制备的光纤探针,为了实现较小的通光孔径,往往制备的探针锥角都会较小,通常小于40°,这不仅会导致探针通光效率较低,而且会使得探针尖端易碎,鲁棒性较差,且通光距离过长。此外,化学腐蚀法制备的探针还会出现表面粗糙的问题。这些问题都会导致光在探针中传播时效率降低。这里,我们提出了一种新型的金字塔型光纤探针。通过模板复制的方法,在微光纤端面制备出金字塔结构。金字塔结构的锥角可以达到70.2°,且颈部长度较短,可以有效提高探针通光效率。同时,其尖端直径小于50nm,可以实现较高的形貌扫描分辨率,且具有良好结构稳定性。第二个问题是探针扫描过程的稳定性问题。近场光学显微术的分辨能力不仅取决于探针孔径或者纳米发光体的尺寸,扫描过程中探针与样品稳定的相互作用对于分辨率的提升同样有着很大的重要性。我们采用石英音叉作为力传感器,通过外部电路对其共振情况的检测来实现探针-样品的稳定控制。同时,我们尝试使用PECVD的方法对探针尖端进行氧化物镀膜,以增强探针与样品间的反馈作用,提升扫描的稳定性。通过制备的探针对Au纳米阵列进行荧光扫描成像,实现了20nm的光学分辨率。本文内容安排如下,第一章介绍了扫描近场光学显微术的发展历程与重要技术节点,第二章介绍了量子点修饰的金字塔型光纤探针的制备,第三章介绍了量子点修饰的金字塔型光纤探针的近场扫描成像,第四章对整体工作进行了总结与展望。


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