《光学隧道效应》PPT课件.ppt

,当一束单色平面光波由折射率为 的光密介质射向折射率为的光疏介质 时,通常在两种介质的分界面上产生反射和折射现象。如果入射角 大于全反射临界角,将发生全反射现象，这时,入射到界面上的全部能量都被反射回介中,没有能量流过界面进入介质2中。现在把另一折射率为 介质3放在介质2中,使介质3的表面与介质1、2的界面平行并且相距波长 的数量级,见下图，来测量介质3 中是否有光波存在。,实验上的确在介质3中测量到了透过介质2进入介质3的光波。这种当入射角超过全反射临界角，而透过介质2进入介质3的现象称为光学隧道效应。,光学隧道效应的最直接应用就是在集成光学中作为光耦合器、用棱镜耦合器将激光耦合进薄膜波导，见示意图。将一个高折射率的棱镜压在波导上，在棱镜和波导薄膜之间形成一间隙很小的空气薄层，调整入射光束的方向，使其在下表面的入射角大于棱镜空气界面的全反射临界角，则由光学隧道效应，入射光就被耦合进光波导中，这种把光耦合进波导的器件称为输人耦合器。根据光路的可逆性,同理可以利用光学隧道效应把光从波导中藕合出来,这种器件叫做输出耦合器，耦合效率的理论值最高可达100%,现在，实验上已经实现了80%的耦合效率.,AFM是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖-样品相互作用就会引起微悬臂的形变。也就是说，微悬臂的形变是对样品-针尖相互作用的直接反映。通过检测微悬臂产生的弹性形变Z,就可以根据微悬臂的弹性系数和函数式=k Z直接求出样品-针尖间相互作用。,AFM利用照射在悬臂尖端的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10nm 左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值。,当样品在XY 平面内扫描时(对某一点其坐标为x,y)，若保持样品在Z 轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖-样品相互作用与间距的关系得到样品表面的高度变化信息h(x,y)，即样品表面任意点(x,y)相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌A=A(x,y,h(x,y)。,AFM仪器的核心部件包括以下四大系统：反馈光路提供光源的激光系统进行力-距离反馈的微悬臂系统执行光栅扫描和Z 轴定位的压电扫描接收光反馈信号的光电探测器,激光器是光反馈通路的信号源。由于悬臂尖端的空间有限性，就对照射器上的光束宽度提出了一定要求：足够细、单色性好、发散程度弱；同时也要求光源的稳定性高，可持续运行时间久，工作寿命长。而激光正是能够很好地满足上述条件的光源。,悬臂有足够高的力反应能力悬臂有足够高的时间分辨能力，,悬臂容易弯曲、易于复位，具有合适的弹性系数，使得零点几个纳牛(nN)甚至更小的力的变化都可以被探测到；,悬臂的共振频率应该足够高，可以追随表面高低起伏的变化。,微悬臂的尺寸必须在微米的范围，而位于微悬臂末端的探针则在10nm左右，而其上针尖的曲率半径约为30nm，悬臂的固有频率则必须高于10kHz。通常使用的微悬臂材料是Si3N4。,压电换能器是能将机械作用和电讯号互相转换的物理器件。它不仅能够使样品在XY 扫描平面内精确地移动，也能灵敏地感受样品与探针间的作用，同时亦能将反馈光路的电讯号转换成机械位移，进而灵敏地控制样品和探针间的距离(力)，并记录因扫描位置的改变而引起的Z向伸缩量h(x,y)。这样，压电扫描器就对样品实现了表面扫描。常见扫描器的最小分辨率为0.1nm 0.1nm 0.01nm。,目前AFM 探测悬臂微形变的主要方法是光束偏转法。用一束激光照在微悬臂的尖端，而用位置灵敏光检测器来接收悬臂尖端的反射激光束，并输出反映反射光位置的信号。由于悬臂的形变会引起反射光束的偏移，导致反射光在检测器上位置的变化，进而产生反应悬臂的形变的电讯号，以供调节压电扫描器的伸缩控制。,接触模式非接触模轻敲模式,样品扫描时，针尖始终同样品“接触”。此模式通常产生稳定、高分辨图像。针尖-样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域，对应图3 中的1-2段。当样品沿着xy方向扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖-样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变。由于生物分子的弹性模量较低，同基底间的吸附接触也很弱，针尖-样品间的压缩力和摩擦力容易使样品发生变形，从而降低图像质量。,针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品表面接触。针尖检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等长程力，对样品没有破坏作用。针尖-样品距离在几到几十纳米的吸引力区域，对应图3 中的3-4段，针尖-样品作用力比接触式小几个数量级，但其力梯度为正且随针尖-样品距离减小而增大。当以共振频率驱动的微悬臂接近样品表面时，由于受到递增的力梯度作用，使得微悬臂的有效的共振频率减小，因此在给定共振频率处，微悬臂的振幅将减小很多。振幅的变化量对应于力梯度量，因此对应于针尖-样品间距。反馈系统通过调整针尖-样品间距使得微悬臂的振幅在扫描时保持不变，就可以得到样品的表面形貌像。但由于针尖-样品距离较大，因此分辨率比接触式的低。非接触模式通常不适合在液体中成像，在生物样品的研究中也不常见。,轻敲模式是上述两种模式之间的扫描方式。扫描时，在共振频率附近以更大的振幅驱动微悬臂，使得针尖与样品间断地接触。当针尖没有接触到表面时，微悬臂以一定的大振幅振动，当针尖接近表面直至轻轻接触表面时，振幅将减小；而当针尖反向远离时,振幅又恢复到原值。反馈系统通过检测该振幅来不断调整针尖-样品距离进而控制微悬臂的振幅，使得作用在样品上的力保持恒定。由于针尖同样品接触，分辨率几乎与接触模式一样好；又因为接触非常短暂，剪切力引起的样品破坏几乎完全消失。轻敲模式适合于分析柔软、粘性和脆性的样品，并适合在液体中成像。,简单易行的制样过程,样本只需稍加固定处理便可在AFM 下进行观察。相比激光扫描共聚焦显微镜的样品必须经过特殊的荧光染色，所以其应用受限于荧光探针技术的发展；扫描隧道显微镜要求物质具有表面导电性，否则得进行镀金处理，过程十分麻烦。,高的空间分辨率,AFM 的放大倍数远远超过以往的任何显微镜：光学显微镜的放大倍数一般都超不过103 倍；电子显微镜的放大极限为106 倍；而AFM的放大倍数能高达1010 倍，比电子显微镜放大能力高104 倍。高的分辨率使AFM可直接观察物质的分子和原子，这就为人类对微观世界的进一步探索提供了理想的工具,