基于半導體納米線/錐形微光纖探針的被動式近場光學掃描成像*

竇琳 麻艷娜? 顧兆麒 劉家彤 谷付星?

1) (上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

本文結合近場掃描結構和納米線-微光纖耦合技術，提出了一種基于硫化鎘納米線/錐形微光纖探針結構的被動近場光學掃描成像系統.該系統采用被動式納米探針，保留了納米探針對樣品表面反射光的強約束優勢.其理論收集效率為4.65‰，相比于傳統的金屬鍍膜近場探針收集效率提高了一個數量級，可有效地提高掃描探針對樣品形貌信息的檢測能力;而后通過硫化鎘納米線與微光纖之間高效的倏逝場耦合，將檢測的光強信號傳輸到遠場進行光電探測，最終實現對目標樣品形貌的分析成像，其樣品寬度測量誤差在7.28%以內.該系統不需要外部激發光路，利用顯微鏡自身光源進行遠場照明，被動掃描探針僅作為樣品表面反射光的被動收集系統.本文基于半導體納米線/錐形微光纖探針的被動式近場光學掃描成像方案，可有效地降低探針的制備難度和目標光場的檢測難度，簡化掃描成像的結構，為近場光學掃描顯微系統之后的發展提供新的思路.

1 引言

顯微技術實現了人類在微米甚至納米量級的視覺分辨，極大地促進了對光與物質的相互作用研究以及微結構信號探測等技術的發展.而低成本、高分辨率的成像系統對于人類在生物科學和材料科學等領域的研究具有重要意義.其中光學成像系統因結構簡單且不易損傷樣品等優勢，被廣泛地應用于多種成像系統中[1-4].但傳統光學顯微鏡由于衍射極限限制，空間分辨率僅能達到波長的一半，且較難獲得樣品的三維形貌輪廓信息[5];而掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)和原子力顯微鏡(atomic force microscopy，AFM)等成像技術雖然可實現原子級別的測量分辨率，但對樣品材質和工作環境的要求苛刻，測量成本高且在一定程度上犧牲了測量的靈活性.

近場掃描光學顯微鏡(near-field scanning optical microscope，NSOM)技術[6，7]結合近場掃描結構和光電探測思路，保留了傳統光學顯微鏡測試條件靈活且無損的優勢，并且可突破其衍射限制，因此作為新的多參量微觀尺度表征技術被廣泛研究.其中光學探針[8]是近場掃描光學顯微鏡的核心部件，可通過與樣品表面物理場在納米尺度下的相互作用，將近場信息轉化為可探測的遠場信息，完成極高光學和形貌分辨率的圖像掃描.納米發光探針通過納米發光體發光性質與環境的相關性，結合拉錐光纖進行傳輸光收集，從而實現納米量級的傳感測量.其中采用單金納米顆粒[9-11]或者硅納米顆粒[12]修飾的近場探針，通過對光場的局部增強，可實現對樣品的百納米量級分辨率的測量.但由于納米顆粒的不規則及其吸附于光纖位置上的各向異性，測量系統極易出現矢量信息失真.多納米顆粒也可以實現對近場探針的修飾[13-15]，該方案通過非線性效應增強檢測信噪比，可進一步實現幾十納米的高空間分辨率.但多粒子結構對于納米顆粒的位置要求很高，實現成本高、難度大.此外，科研人員還提出了納米金字塔[16]和鐘樓型[17]結構的近場光學探針.上述方案均通過將散射近場的倏逝波高效耦合，并轉化為傳輸波進行檢測，但需要另外搭建激發光路或收集光路，系統難度和復雜度都很高.

作為近場探針的修飾材料，一維納米線材料的制備工藝更成熟，并且更易于與微光纖結構進行高效耦合[18，19].其中金屬銀納米線由于良好的單晶結構且制備簡單、成本低，是廣泛使用的納米波導材料之一.銀納米線修飾的近場發光探針[20，21]也成為一種新型的探針結構，目前已經實現了高達1 nm 的拉曼增強光譜分辨率.但由于系統采用隧穿電流反饋系統，在近場掃描過程中需要始終保持探針和樣品的導電性;并且銀納米線易氧化，系統的測試條件十分苛刻.上述納米探針均采用主動發光方式，即需要外部激光激發納米粒子或納米線形成倏逝場，為掃描系統提供檢測光源.并且為了實現探針與樣品表面物理場的相互作用[22，23]，需要嚴格控制待測樣品與探針之間的距離.

本文提出了一種基于硫化鎘(cadmium sulfide，CdS)納米線/錐形微光纖探針復合結構的被動式近場光學掃描成像系統，該方案使用顯微鏡自帶光源做照明，不需要復雜的探針激發光路，避免了近場檢測的激發光干擾;同時CdS 納米線通過對樣品表面反射光的強束縛能力提高了對其表面形貌的探測能力，而后收集的光信號通過倏逝場耦合進錐形微光纖[24]，傳輸至遠場進行光電檢測.相比于發光探針結構，該光學探針采用被動式檢測，可降低對探針-樣品間距的控制需求，并且顯著降低了探測系統的結構設計復雜度;相比于常規使用的近場掃描錐形光纖探針結構，納米線針尖與樣品表面光場具有更強的相互作用，因此具有更高的檢測能力.

2 系統搭建與原理分析

半導體納米線/錐形微光纖探針的近場光學掃描成像系統的結構如圖1(a)所示.待測樣品被置于計算機HC 通過位移控制器DMC 控制的三軸壓電納米位移平臺(PZT stage，PS3L40-080U-S，上海納動納米)上，顯微鏡采用Nikon 的50 倍物鏡，CCD 相機為Nikon 的DS-Ri1，照明光源LS為LHS-H100 P-2，其波長范圍為500—750 nm，在600—670 nm 處光強最大.圖1(b)為圖1(a) 中虛線處放大圖，表示顯微鏡掃描部分.所用納米線/錐形微光纖探針結構由三維線性位移臺(M-462-XYZLH-M，Newport)夾持固定，探針尖端如圖1(c).其中CdS 納米線具有矩形的橫截面，其寬度和高度分別為350 nm 和65 nm.CdS 納米線與錐形微光纖(SMF-28，Corning)通過范德華力及靜電力穩定地結合在一起[25]，用于收集樣品表面的光強變化，并通過單模光纖傳輸到飛瓦探測器(PD，PDF10A，Thorlabs)進行光電轉換，經過自制電放大器EM 后進入示波器(OSC，DS11104，RIGOL)進行檢測.固定的探針與樣品之間呈夾角θ，避免出現位置抖動.該系統采用顯微鏡自帶的照明系統作為光源，不需要額外的外部激發光源，顯著降低了光學系統傳感和檢測的復雜度.在實驗測量時，首先手動粗調樣品的位置和角度，而后通過控制器控制位移臺，精確調整樣品至目標位置.掃描過程中，根據需要設定掃描步長和步數，確定掃描范圍，數據則經過示波器采集并保存至上位機系統進行分析和處理.

圖1 被動式近場光學掃描成像系統 (a) 系統原理圖;(b) 顯微照明—成像部分原理圖;(c) CdS 納米線/錐形微光纖探針.HC:主機，DMC:位移控制器，PZT:壓電位移臺，3D stage:3 維線性位移臺，LS:照明光源，PD:光電轉換器，EM:電放大器，OSC:示波器Fig.1.Passive near-field optical scanning imaging system:(a) Schematic diagram of the system;(b) schematic diagram of illumination-imaging part;(c) CdS nanowire/tapered microfiber structure.HC:host computer，DMC:displacement controller，PZT:piezo translation stage，LS:lighting source，3D stage:3D linear stage，PD:photodetector，EM:electrical amplifier，OSC:oscilloscope.

實驗所用光源可被看做一組經物鏡聚焦后具有不同振動方向和相同光強度的偏振光，物鏡聚焦點處主要為縱向光場分布[26-28].忽略樣品的厚度折射率變化，可采用單層膜反射模型來描述反射場:光從折射率為n0的空氣介質以角度θ1入射到折射率為n1，厚度為h的樣品薄膜上，空氣—樣品界面的折射角為θ2，基底折射率為n2.由于實驗所用光源的入射角度很小，該模型可近似為正入射，即θ1=θ2=0.因此無樣品覆蓋區的總反射系數可表示為[29]

而樣品覆蓋區的總反射系數為

仿真得到無樣品覆蓋區及樣品覆蓋區的反射率如圖2(a)所示，可見硅基底具有更高的光反射能力，圖2(b)為距樣品表面 300 nm 處水平面的光場分布，該時域有限差分法(finite difference time domainmethod，FDTD)仿真也驗證了上述理論推導.

樣品表面及其附近的光場對應近場，而光纖探針通過收集這部分光場，并經過實驗光路耦合及傳輸，最終實現遠場的信號接收與探測，如圖1(a).當采用納米線/錐形微光纖探針對硅基上待測樣品的反射光場進行測量時，納米尺度探針與樣品光場之間會產生電偶極矩p，其與樣品表面光場E的關系由探針的極化張量a表示為p=a·E.如圖1(b)，一般待收集的樣品表面光場分為縱向分量Ez和面內分量Ei(其中i=x或y)，但由于遠場信號僅有Es和Ep兩個分量，所以在實際應用中a可由3×3 矩陣簡化為 2×2 矩陣[28]，此時該被動式掃描成像系統的近場和遠場分量近似滿足關系:

由于探針針尖尺寸遠小于光波長且假定結構是軸對稱的，則上述歸一化張量約為

被動式近場探針對縱向偏振分量的響應更加敏感，因此參數γazz/aii ＞1.結合(4)式和(5)式可知，此時近場的縱向分量復振幅正比于待測的遠場的Ep分量，即通過檢測遠場信號即可得到納米線/錐形微光纖探針所收集的樣品近場信息.

我們還通過數值仿真驗證了上述納米線/錐形微光纖探針結構的光場模型.FDTD 模擬的光源為波長600 nm 的圓偏振光，探針由折射率為1.46的二氧化硅錐形光纖和折射率為2.52 的CdS 納米線組成，樣品是折射率為2.67 的硒化鎘(cadmium selenide，CdSe)納米帶，基底是折射率為3.95 的硅.待測樣品大小設置為4 μm×4 μm×1 μm.圖2(b)為距樣品表面 300 nm 處水平面的光場分布，中間為樣品放置位置.相比于樣品，反射率高的硅基底上方具有更強的光場強度.

圖2 納米線/錐形微光纖探針結構的光場模型 (a) 硅基底和硒化鎘-硅基底的反射率;(b) 距樣品表面 300 nm 處的水平面的光場分布;(c) 納米線/錐形微光纖探針結構倏逝場耦合(右側插圖為右側白色實線處納米線截面的TE 模光場分布，左側圓形插圖為左側實線處錐形微光纖探針截面光場分布)Fig.2.Optical field model of nanowire/tapered microfiber structure:(a) Reflectance of silicon substrate and cadmium selenide-silicon substrate;(b) horizontal optical field distribution at 300 nm above the sample surface;(c) nanowire/ tapered microfiber structure evanescent field coupling (The right inset is the TE mode optical field distribution of the nanowire cross section at the solid white line on the right，and the left circular inset is the optical field distribution of the tapered microfiber cross section at the solid line on the left).

由于探針所在光場為樣品表面的反射場，其收集效率應為探針收集功率與反射場功率的比值.對于垂直入射的光源，仿真得到探針收集功率約占光源總功率的0.1%，樣品的能量反射率近似為21.5%，因此計算得到探針的收集效率約為4.65‰，相比于傳統的金屬鍍膜近場探針[21]，收集效率提高了一個數量級.而在實際實驗中，光源往往不是理想的垂直入射，此時探針所在的反射場功率會隨入射角度變化而略有下降.對于20°入射的照明光源，樣品的能量反射率為18.9%，從而使得近場探針的收集功率同步下降.但由于探針收集效率為其收集功率與反射場功率的比值，結合(4)式和(5)式中系統近場的縱向分量復振幅與待測遠場的Ep分量的正比例關系，系統的探針收集效率可近似為不變.

此外，還分析了光信號從納米線端部到錐形光纖的傳輸特性，根據AFM 測量結果，仿真所用CdS納米線寬度為350 nm，高度為65 nm.圖2(c)是仿真得到的光場分布圖，對于500—750 nm 波段的光源，其耦合系數隨入射波長的增加而提高，又因為系統所用光源在600—670 nm 處光強最大，仿真采用最低的600 nm 波長的光源進行耦合模擬，其傳輸效率為74.47%.可見所制備探針可實現納米線和錐形光纖之間的高效耦合與信號傳輸，其耦合效率高于74.47%[25，30].光信號耦合進錐形光纖之后即可通過光纖傳輸至遠場進行信號采集與處理.該部分為后續基于CdS 納米線/錐形微光纖探針結構的被動式近場掃描成像實驗提供了理論基礎.

3 實驗測量及結果分析

3.1 掃描步長和探針-樣品間距的對近場成像質量的影響分析

實驗采用寬度為微米量級的CdSe 納米帶作為測量樣品，首先研究了掃描步長以及探針-樣品間距對該近場掃描系統測量結果的影響.圖3(a)中分別設置掃描步長從100 nm 降低至10 nm，掃描范圍固定為8 μm.結果顯示掃描步長越小，邊界的細節特征越明顯.10 和20 nm 的掃描步長均可體現樣品的邊界信息，為了兼顧掃描速度和精度，后續實驗選取掃描步長為20 nm.

圖3(b)展示了納米線/錐形微光纖探針-樣品間不同的間距對掃描結果的影響.在探針-樣品間距從900 nm 減小至130 nm 過程中，邊界的光強變化越來越明顯.間距過大時，樣品細節極易淹沒在背景噪聲中;間距過小時，探針與樣品易因范德華力和靜電力吸附在一起.同樣由于130 和230 nm間距條件下的掃描成像結果類似，為了兼顧檢測難度和精度，實驗選取探針-樣品間距為230 nm.

圖3 掃描步長和探針-樣品間距對系統成像質量的影響 (a) 不同掃描步長條件下的掃描結果;(b) 不同探針-樣品間距條件下的掃描結果Fig.3.Influence of scanning step length and probe-sample distance on the image quality:(a) Scan results under different scan steps;(b) scan results under different probe-sample distances.

3.2 光纖探針掃描成像結果與分析

實驗選取了三個CdSe 納米帶樣品S1—S3.首先通過AFM 對其進行掃描，成像結果如圖4，其中圖4(a)、圖4(c)和圖4(e)分別為不同樣品在光學顯微鏡下面的圖像;圖4(b)、圖4(d)和圖4(f)則分別對應其虛線框部分的AFM 測量結果，測得樣品寬度分別為5.58 μm，2.61 μm 和2.76 μm.隨后將這三個樣品放在自制的被動式近場探針掃描系統下進行測量，分別利用錐形微光纖探針和納米線/錐形微光纖探針收集樣品表面的反射光強變化，結果如圖5 所示.由于半導體納米線折射率高于二氧化硅，通過納米線修飾的光場探針可實現更高精度的光強變化檢測.

圖4 不同樣品的光學顯微圖和AFM 掃描形貌圖 (a)，(b) 分別為S1 的光學顯微圖和AFM 掃描形貌圖;(c)，(d)分別為S2 的光學顯微圖和AFM 掃描形貌圖;(e)，(f)分別為S3 的光學顯微圖和AFM 掃描形貌圖Fig.4.Optical microscope and AFM scanning morphology image of the three samples:(a)，(b) Optical microscope image and AFM topography of S1;(c)，(d) optical microscope image and AFM topography of S2;(e)，(f) optical microscope image and AFM topography of S3.

實驗所用的錐形光纖探針由單模光纖熔融拉錐制成，尖端尺寸為百納米量級，與樣品的夾角θ為23°.實驗設定CdS 納米線伸出光纖探針長度約為10 μm，如圖1(c)所示.圖5(a)、圖5(d)和圖5(g)分別為該納米線/錐形微光纖探針對樣品的掃描成像圖;圖5(b)、圖5(e)和圖5(h)為其對應的樣品寬度測量結果;圖5(c)、圖5(f)和圖5(i)為錐形光纖探針的樣品寬度測量結果.由于錐形光纖探針測得光強的絕對變化量太小，為了清晰地顯示邊界，對光強度數據均做了歸一化處理，寬度測量結果列于表1.

表1 CdS 納米線/錐形微光纖探針與傳統錐形光纖探針測量結果對比Table 1.Comparison of measurement results between CdS nanowire/tapered microfiber probe and traditional tapered microfiber probe.

圖5 夾角θ=23°時，納米線/錐形微光纖探針與傳統錐形光纖探針對S1—S3 樣品的寬度測量值 (a)，(d)，(g) 分別為納米線/錐形微光纖探針對S1—S3 樣品掃描的成像圖;(b)，(e)，(h)分別為對應樣品寬度的歸一化測量結果;(c)，(f)，(i)同樣條件下，錐形光纖探針對S1—S3 樣品寬度的歸一化測量結果Fig.5.The width measurement results of S1—S3 samples with the nanowire/tapered microfiber probe and traditional tapered microfiber probe at θ=23°:(a)，(d)，(g) Imaging results of the samples S1—S3 scanned by the nanowire/tapered microfiber probe;(b)，(e)，(h) measurement results of the width of the samples S1—S3 by the nanowire/tapered microfiber probe;(c)，(f)，(i) measurement results of the width of the samples S1—S3 by tapered microfiber probe.

實驗采用AFM 的測量結果作為標準，同樣采用23°夾角的收集方向，當收集端為錐形微光纖探針時，測量誤差為17.40%—23.75%，最大誤差值為1.05 μm;當收集端為CdS 納米線/錐形微光纖探針時，測量誤差降低為4.71%—7.28%，最大誤差值為0.39 μm，測量精度提高了約3 倍.該掃描測量誤差主要來自于基底平臺的水平度誤差、納米線的放置角度誤差，和納米線懸臂抖動等機械誤差引起的探針與樣品表面光場的相互作用改變，以及環境背景光噪聲等引起的檢測誤差.相比于單獨使用錐形光纖探針，被動式CdS 納米線/錐形微光纖探針對光場的強約束力可有效地提高其近場掃描成像系統的檢測精度.通過進一步地控制樣品與探針的位置以及反射光場的穩定度，可有效地提高探針收集光強信號的信噪比，最終提高被動掃描成像系統的樣品成像質量.

此外，實驗還研究了CdS 納米線/錐形光纖探針和樣品的夾角θ對掃描成像結果的影響.當收集端探針與樣品的夾角增加為38°時，CdS 納米線/錐形微光纖探針系統的測量誤差急劇升高，甚至達到了42.75%;而僅用錐形光纖探針已難以得到準確的測量數值.在整個實驗過程中，納米線/錐形微光纖探針的檢測精度總是高于傳統的錐形光纖探針.

4 結論

本文提出了一種基于CdS 納米線/錐形微光纖探針結構的被動式近場光學掃描成像系統，該系統不需要激光激發等復雜光路，僅采用顯微鏡自身光源聚焦照亮樣品，通過樣品表面反射光強隨樣品表面起伏及突變邊界的改變，對樣品進行形貌掃描成像.CdS 納米線的高折射率，提高了探針對待測光場的束縛能力，實現了4.65‰的理論探針收集效率，相比于傳統的金屬鍍膜近場探針收集效率提高了一個數量級.最終通過光強變化實現對目標樣品的掃描成像，測量誤差降低為4.71%—7.28%.該方案相比于納米發光探針方案，降低了探針的制備難度和系統整體檢測結構的復雜性;相比傳統的錐形光纖探針方案，掃描成像精度提高了約3 倍.此外，實驗結果還表明，該被動式掃描探針與樣品夾角θ的增加會降低系統的成像精度，但是納米線/錐形微光纖探針的檢測精度總是高于傳統錐形光纖探針.此外，實驗方案中較大的顯微聚焦照明區域也避免了光斑面積對成像范圍的限制，其成像范圍僅由納米位移臺的行程決定.該被動式近場光學掃描方案的系統結構更加簡潔，操作也更簡單，為以后的近場光學掃描顯微系統的改進提供了新思路.