文档介绍：南开大学博士学位论文近场探测原理、技术及其应用研究姓名:张天浩申请学位级别:博士专业:凝聚态物理指导教师:,它是指物体周围距离小于辐射波长,介于物体与辐射空间的一个过渡区域。在传统的物理学中,这是一个常常被忽视的区域。由于空间的高度局域性,在近场范围内,物体的各种物理、化学特性均不同于远场探测意义下的物质结构信息。因此,近场不仅仅是一个特殊的探测空间,更为重要的是,通过深入地研究在物体近场范围内各种物理性质的特异性,并发展相关的探测方法和分析技术,在理论上有助于我们理解微观结构(原子、分子体系)如何过渡到宏观体系;在技术上实现对微观领域、介观领域物质结构、功能的直接观测,并可能为人类找到一条直接利用原子、分子构造微小系统的途径,近场物理在科学与技术上的意义无疑是深远的。80年代以来,随着以扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、近场扫描光学显微镜(NSOM)等为代表的各种SPM技术的出现,使人们对近场的探测成为可能,其超高分辨的能力使人们能够直接地观察,并成为纳米科技中强有力的工具,推动了纳米材料、纳米加工等方面技术的蓬勃发展。如今,许多学者已意识到近场物理的重要性,并在理论和技术方面做了大量的研究工作。但总的说来,无论是理论方面,还是技术方面,都还很不定善,并没有形成~个较完善的理论框架,对技术的多样性也没有统一的认识0雄文以近场物理为出发点,围绕STM、PSTM(光子扫描隧道显微镜)、SNAM、NSOM(扫描近场声学显微镜),系统全面地开展有关近场探测原理、相关技术及其应用的研究,并获得了一些具有创新意义的结果。本文从近场物理这一全新的角度出发,围绕着STM、PSTM、NSOM、SNAM几种典型的SPM技术,讨论了近场内的一些基本特性及近场探测的原理;建立了探针样品间剪切力作用的模型;全面分析了压电石英音叉在近场中的机电特性,并进行了相关的实验。以此为指导,建立了集STM、PSTM、NSOM、SNAM为一体的多模式扫描探针显微系统,并应用此系统对生物大分子样品等进行了初步的观测和研究。主要工作和成果包括以下几方面:(1)近场物理理论方面理论方面,针对我们的工作,本文系统地讨论了电子隧道效应、光子隧道效应、近场光学、近场声学几方面的理论。在近场光学理论分析中,利用平面波展开分析了超高分辨成像的近场探测原理。盼析表明:任何有限大小的物体结构都将激发辐射场和非辐射场,其中,辐射场对应低频部分,丽非辐射场对应高频部分,后者包含了物体空间尺度小于半波长的结构信息;要获得亚波长物质结构信息,意味着必须将物体近场内的非辐射场转化为辐射场。小孔径探针的作用在于物质的频谱重新分配,其结果是可以将部分的非辐射场转化为辐射场。由此,可以得到突破衍射极限的两个基本条件:近场探测和小孔径的探针。分析还表明:探针的尺度越小,距离物体越近,近场探测的分辨率越高&从单电偶极子出发,分析了电偶极子的近场能量分布。与以往的文献分析有所区别,我们将空间化为近区、远区、过渡区三个区域加以分析,更加完整、清晰地描绘出全空间的电磁场能量分布。我们发现,在电偶极子近场范围内的能量分布状态与远场相比,无论从能量大小和分布形态都存在极大的不同。这是近场表现出种种特性的本质的原因。这样,我们给出了近场物理和探测原理的基础和理论构架,这是近场中物质特性分析和探测基本出发点。0L首次建立了探针一样品|'自j剪切力作用的模型,并给出了探针一样品阃相互作用及剪切力阻尼的表达式。钲此模型的基础上,首次利用本征函数展开法全面分析了近场条件下,石英压电音叉的机械振动规律及电学特性,并给出了其解析表达式,为石英压电音叉在近场探测技术上的应用提供了理论依掂了7(2)近场探测技术方面利用CO,激光器和生物微电极拉制器建立了一套光纤探针拉制系统,并利用此系统进行了双曲型光纤探针的制作;对光纤探针拉制过程中各种条件的对探针形态的影响进行了实验研究。首次对光纤探针熔拉法的热动力学过程进行了较全面的理论分析,_'分析结果与实验基本吻合。研制成功石英振子与光纤探针结合的扫描探头。对光学界面隐逝场分布进行了探测,对近场条件下石英压电音叉的电学特性进行了测量,为我们多模式扫描探针显微系统的建立提供了技术上的准备寸首次在已有的STM系统上建立了,一套多模式扫描探针显微系统,系统具有STM、PSTM、NSOM、SNAM四种模式。沤四种模式可通过转换开关方便的切换,探头的更换也很容易。首次设计了一种光纤探针定位扫描方法,定位精度可达l¨m,并利用此方法设计了一套光学显微镜与扫描探针显微镜联用的显微系统。解决了SPM技术存在的固有缺陷。在显微镜引导下,可任意调整扫描区域,使SPM更加实用、方便、快捷地实现样品扫描成像。,(3)SPM的应用方面利用我们建立的