近场光学显微镜.ppt

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1、超衍射极限和近场光学显微镜人类视野的拓展：望远镜和显微镜几何光学几何光学 :物点物点 像点像点 物物(物点集合物点集合)像像(像点集合像点集合)波动光学波动光学 :物点物点 像斑像斑 物物(物点集合物点集合)像像(像斑集合像斑集合)(经透镜经透镜 )(经透镜经透镜 )瑞利判据瑞利判据瑞利判据瑞利判据:两艾里斑中心的夹角等于两艾里斑中心的夹角等于两艾里斑中心的夹角等于两艾里斑中心的夹角等于每个艾里斑自身的半角宽度每个艾里斑自身的半角宽度每个艾里斑自身的半角宽度每个艾里斑自身的半角宽度物镜衍射极限*显微镜的分辨本领和物镜数值孔径显微镜的分辨本领和物镜数值孔径l0u0y0uy0y如何提高分辨本领？纳

2、米分辨？如何提高分辨本领？纳米分辨？1.提高分辨率的方法之一是提高N.A.，可通过油浸和使用广角透镜获得较大的数值孔径。不过N.A.最大为1.5左右，此时y0m0/2,这是传统光学显微镜的极限分辨率半波长。2.选择短波长光照明是提高显微镜分辨本领的另一个途径。电子显微镜：电子显微镜：利用运动电子的具有波动性制造电子显微镜，因为电子的德布罗意波长极短，所以它有极高的空间分辨本领。电子束发散角较小，u00.16rad；电子波长取决于电子的加速电压：加速电压电子波长分辨本领有效放大率104V1.210-2nm510-2nm2106105V3.710-3nm1.510-2nm61061986年诺贝尔物

3、理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院（Fritz-Haber-InstitutderMax-Planck-Gesellschaft）的恩斯特鲁斯卡（ErnstRuska，1906-1988)，以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜；另一半授予瑞士鲁希利康（Rschlikon）IBM苏黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希（GerdBinnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（HeinrichRohrer，1933-)以表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。TECNAIF30TECNAIF30场发射透射电镜场发射透射电镜点分辨率：点分辨率：0.205nmpointat300kV0

4、.205nmpointat300kV线分辨率：线分辨率：0.102nmlineat300kV0.102nmlineat300kV环境可控扫描电镜环境可控扫描电镜特点特点:图像分辨率高对任何样品无需处理，可直接进行观察；进行动态反应过程的直接观察。电子显微镜下的病毒照片电子显微镜下的病毒照片用电子显微镜拍摄的苯分子照片GaAs纳米晶的透射电镜照片和电子衍射图,透射电镜下观察到的主要是GaAs纳米晶的的团聚体,同时,在团聚体中也可一观察到5-20 nm的GaAs颗粒,图b是图a对应的电子衍射图,可以看出,只有面心立方结构GaAs纳米晶的多晶衍射特征环.使用短波长或电子束分辨率虽然提高，但使用短波长

5、或电子束分辨率虽然提高，但丧失了光学探测无损的优势，并且无法直丧失了光学探测无损的优势，并且无法直接获得光谱学信息。价格昂贵，系统复杂接获得光谱学信息。价格昂贵，系统复杂以上方案均受制于衍射以上方案均受制于衍射能否突破衍射极限？能否突破衍射极限？1928192819281928年年年年 ，SyngeSyngeSyngeSynge 设想设想设想设想(1)在不透明的平板或薄膜上，制备出一个近乎10 nm的小孔，置于生物样品切片正下方，两者间隔近10nm(2)入射光通过平板小孔照明样品，透过样品的光被显微镜聚焦到光电池上。(3)保持入射光源强度不变，在两个横方向上，以10nm的步距移动样品，使入射光

6、点沿样品平面网格状扫描样品。发展历史：发展历史：1928年，Synge 提出设想 1972年，Eric Ash等人在微波波段实现1984年，Pohl等研制成功第一台扫描近场光学显微镜 1991年，Betzig等人采用光纤探针并结合剪切力测控探针-样品间距，SNOM真正实用。技术难点：扫描和距离的控制技术难点：扫描和距离的控制技术难点：扫描和距离的控制技术难点：扫描和距离的控制 +高质量纳米光孔制备高质量纳米光孔制备高质量纳米光孔制备高质量纳米光孔制备 探针样品间距控制探针样品间距控制 方法：隧道电流 针尖样品间力的相互作用切变力探测传统AFM的光杠杆技术光学探针光学探针光学探针光学探针 探针孔

7、径 SNOM分辨率 通光效率 SNOM信噪比 孔径越小，通光越低典型探针孔径：50100纳米488 nm热拉法：优点：制备快、方便，表面光滑。缺点：锥角小(10),通光低,易碎。NSOM NSOM 探针制备探针制备 化学腐蚀：优点：制备快，锥角大20-30，通光效率高缺点：HF有毒，表面性质难控镀膜：微制备：优点：可重复性好，可批量生产缺点：制备工艺复杂 光学探针 探针样品间距z 的反馈控制系统 驱动样品或针尖在x-y平面内运动的二维扫描系统 信号采集系统 图像处理系统发展：近场光学显微镜种类和工作模式发展：近场光学显微镜种类和工作模式(a)有孔针尖SNOM(b)无孔针尖SNOM(c)光子隧穿

8、显微镜 按探针作用分为：按探针作用分为：按探针作用分为：按探针作用分为：照明模式（I mode）收集模式（C mode）照明收集模式（I-C mode）按光信号获取方式不同：按光信号获取方式不同：按光信号获取方式不同：按光信号获取方式不同：反射模式 透射模式 荧光模式 工作模式：工作模式：工作模式：工作模式：近场光学显微镜应用近场光学显微镜应用超分辨成像近场光谱近场光存储近场光学在生物领域中的应用TERS近场显微镜缺点：近场显微镜缺点：探针的扰动探针的扰动逐点扫描，信号采集时间长逐点扫描，信号采集时间长新的原理？远场超分辨？新的原理？远场超分辨？目前的前沿之一目前的前沿之一Optical st

9、ethoscopy:Image recording with resolution.1/20D.W.Pohl,W.Denk,andM.LanzAppl.Phys.Lett.44(7),651，1April 1984Subwavelength-resolutionopticalimagerecordingisdemonstratedbymovinganextremelynarrowaperturealongatestobjectequippedwithfine-linestructures.Details of 25-nm size can be recognized using 488-nm

10、radiation.The resultindicatesaresolvingpowerofatleast/20whichistobecomparedwiththevaluesof/2.3obtainableinconventionalopticalmicroscopy.Near-FieldOptics:Microscopy,Spectroscopy,andNear-FieldOptics:Microscopy,Spectroscopy,andSurfaceModificationBeyondtheDiffractionLimitSurfaceModificationBeyondtheDiffractionLimitScience10July1992:Vol.257.no.5067,pp.189-195EricBetzigandJayK.Trautman附录：阿贝正弦条件光光具具组组y0PQ RTSMNTSMNFQGPR-yu0un0n在傍轴条件下：