文摘
扫描近场光学显微镜,最流行的探针是由强化玻璃纤维附加到一个石英音叉(TF)和利用剪切部队反馈。开发模式的使用反馈可能是更可取的。这种方法可以实现,例如,使用弯曲光纤探针。纤维振动模式的详细分析,表明,实现真正的利用探测器抖动模式需要一个极其谨慎。使用第二个共振模式,探讨振动主要是在剪切力方式除非弯曲半径很小(ca。0.3毫米)和探测器的小费是短暂的。否则,犹豫不决的剪切力特征依然存在。探针有这些特征被辐照的准备与连续波锥形蚀刻玻璃纤维有限公司2激光。这些探针附着在TF在双共振的条件下使实现重要的质量因素(4000 - 6000)的TF +探测系统(Cherkun et al ., 2006)。我们还表明,实现一个真正的开发角色,犹豫不决,短,不超过3毫米的长度的一个独立部分弯曲光纤探针光束也应该用于nonresonant励磁的情况。
1。介绍
扫描近场光学显微镜(SNOM)技术可以克服阿贝远场光学衍射极限,同时获得光学和地形图像;见,例如,(1- - - - - -3为最近的评论。时的光学分辨率方法受限于一个孔径大小和通常是50 - 100海里,一个优秀的空间分辨率与原子力显微镜地形通道完全可比,甚至允许在特定情况下的成像单链DNA分子(4可以实现。很自然地,我们需要一个方便和精确的方法来控制提示和样品之间的距离任何SNOM的成功操作设备。
SNOM tip-sample距离的最受欢迎的方法控制剪切部队反馈使用光纤连接到石英音叉(TF)在1995年首次引入[5]。在这种方法中,提示震荡几乎平行于表面的研究样本和几个纳米振幅。科学界争论的年代和二十一世纪的开始6- - - - - -9的起源和剪切力相互作用的物理机制。作为解释,提出了不同的概念,如时变有吸引力的范德瓦耳斯和毛细管力提示(6)或实际纤维和样品之间的接触。然而,一些相关的辩论仍然有时会发生。如今,似乎证实,一个真正的提示和样品表面之间的接触发生在某一点(7- - - - - -11]。换句话说,没有这样的剪切力和开发模式之间的显著差异。然而,前者是手术时,振荡发生在有些不利因素之间的角运动的速度的光纤探头尖端与正常样本表面接近九十度。因此,剪切力似乎距离控制方法远非理想。光学和地形图像之间的串扰可以扭曲结果。提示和示例之间的力量高,容易可能是破坏性的。特别是,直接测量的相互作用力结合SNOM-AFM设备提供了价值约100 - 200神经网络(9]。
这些因素导致很多实验团体提出和实施开发模式SNOM反馈当探针尖端显然使大致垂直移动到样品表面;见,例如,(12- - - - - -18]。连续几这种方法的实现是基于光纤或短片段正确连接到音叉或双压电晶片零件15,16]。然而,自然长但的使用弯曲光纤连接到音叉标准的方式似乎是最受欢迎的(17]。然而,相对fiber-sample表面运动的详细分析在这些实验尚未进行。因此这个运动的“真正的开发”特征(比得上AFM悬臂在开发模式下的运动政权,看到的“模拟”)是理所当然的。
在当前,我们报告的实现问题的一种新方法:弯曲磨玻璃光纤小心控制的(小)弯曲部分的尺寸和弯曲的曲率半径的准备和实验利用作为SNOM探针。这些探测器的设计是基于详细的理论和数值研究的相对tip-sample表面运动。我们表明,这些提到的小尺寸必要的实现开发模式;否则,“剪切力式”互动不仅存在而且很经常占主导地位整个画面。在我们看来,有实质性的理由假设最早期的报道利用模式snom)不该设备利用开发模式。
2。模拟
商用软件ANSYS 17.2(美国宾夕法尼亚州Canonsburg)是用于数值模拟。这些模拟是基于有限元法(FEM) (19)利用三角模型创建的提示(“网格”)通过商用软件建模SolidWorks 2016(美国女士沃尔瑟姆)。结构的局部网格大小是基于当地的曲率涵盖所有重要的(并且可能微小)特性的设计。调查梁铰接的基地。作为一个材料,纯硅被选为AFM悬臂和石英光纤探针。材料特性的变化(如密度 ,弹性模量 ,和泊松比)不会影响模式的形状,但当然,强烈影响谐振抖动频率的绝对值,见下文。
我们介绍以下符号(见图1)。调查当地对称轴的提示,见图1,被认为是而垂直于轴和躺在同一平面上轴的对称轴伸直探针作为的一部分 。(第三个轴, ,并不重要,因为横向振荡在这个方向上可以忽略不计)。的起源点的坐标是恰逢尖先端。为探针的振动频率 ,提示顶端的运动可以表示为 随时,我们不感兴趣的阶段 。我们正常振荡的振幅之间的比例和的方向, 和名称这个量只取决于探测器的特点和范围在0和1之间“轻敲模式效率”:是否平行于样品表面轴,它给的比例”开发模式类型”和“剪切力式”运动的探针顶端。
(一)
(b)
直,直的没有一个锥形部分(即玻璃纤维。,ordinary cylinder), the resonant dithering frequencies can be found from the following equation (see, e.g., [20.): 在这里 , ,是命令 如果 解决方案的特征方程 ,我们有考虑柱梁截面的依赖关系和它的惯性矩在半径 微米。使用已知的值 , , (21),我们可以看到,调查共鸣地震荡的特遣部队工作频率32768赫兹如果调查的独立部分的长度等于1.7,4.3,和6.6毫米,分别为第一、第二、第三共振。对于我们的专有的,所谓的“double-resonant”SNOM)探测到TF的蒙太奇,后者的确切工作频率的巧合与第二谐振频率的光纤探针光束实现22,23]。在同一作品中,我们已经表明,这使得实现很大的质量因素“TF +光纤探头粘上它”系统。因此导致了小部队行动,给优秀的可能性空间分辨率地形通道。
在图2,我们目前的仿真结果与第一和第二共振模式的光纤探针犹豫不决。这些图表表达一个想法的水平的影响不同参数对开发模式效率(从振动的振幅计算吗和与不同的参数根据探测器(1))。确切的共振频率值略取决于探头的参数的值接近5140赫兹和32768赫兹,分别为第一和第二共振。
(一)
(b)
(c)
(d)
从这个模拟后的主要结论是第一和第二共振明显区别。虽然第一共振模式和探针弯曲角度90°,探测器的技巧运动的开发模式特征发生了一个相当广泛的探头参数(如直觉似乎明显)。实现高利用模式通常使用(参见图的效率2第二共振模式,小心控制探测器的免费部分的长度和它的曲率半径是必要的。否则,剪切力类型运动占主导地位(这看起来有点违反直觉的)。这两个参数应尽可能小。探针的长度不相同的效率影响较大。然而,这个长度的变化可以用来调整探头的共振频率没有严重影响它的其他特点。的剥削第三共振模式给出了很差的质量开发模式(数据没有显示在图2),所以它不似乎有吸引力的工作在这样的配置。
事实上,两者的最小化和参数是由非常有限的直径 微米的标准玻璃光纤用于SNOM探测做准备。此外,这样一个最小化了技术挑战时已经值2 - 3倍 。我们成功解决这些挑战(见部分3),在图1 (b)我们提出的光学图像中使用的光纤探针SNOM实验报告如下。注意,对于我们的实验我们使用第二共振模式。
“先进的”纤维探针(和值尽可能小,也就是说, , μm和 μ米),我们计算的开发模式效率第二共振模式根据(1)。计算效率大约是 :一个好的价值肯定超过1/2,这使我们能够合理地谈论的开发模式。但它仍然是远离团结。提供的数据证明,模拟显示,即使不大幅增加上述关键迅速探测参数的值远低于0.5。也很大程度上使简单提及的开发模式特征调查运动的意义。可以说,到目前为止,这就是很典型的情况。再次,共同开发nonresonance(即。,characterized by an arbitrary and not well controlled length of the freestanding part) SNOM probe (with classical TF) cannot drastically change the situation with the tapping mode efficiency. It arises from the origins of nonresonance mode, a combination of a few resonances with the main contribution from the second one.
第二共振时的实际运动纤维探针抖动模式是有效,说明主要是“剪切力”和“开发模式”行为作为探针的大小的函数中可以看到补充材料(可用在这里)。
事实上,通过改变一个角度在样品表面之间 , 轴(图3的比率),“利用式”和“剪切力式”动作可以改变简单的几何公式后,它起源于旋转矩阵: 我们在图说明这个情况3(一个)通过提供的数据相关的与上述参数优化的光纤探针 , μm, μ米( )。但是请注意,明显增加了开发模式效率-旋转角度通常只是一个虚幻的,不能实现在实践中由于几何限制,见图3 (b)。
(一)
(b)
现在让我们简要分析什么是攻和剪切力抖动模式的情况,当一个“标准”的粘合纤维直接在TF的尖头叉子暗示随后nonresonant激发。这种方法不能保留最初的高质量的因素TF机电振荡,其价值通常减少到300 - 500,通常更低,相应地导致本质上更大的力量。众所周知,在梁nonresonant条件激发频率 ,犹豫梁的形状(“挠度曲线”)是由相应的形状的加权和梁的正常的振动模式。在我们的例子中,这些模式相关的抖动杆的一端铰接,另一个是免费的。的相对权重相应的贡献是成正比的 ;见,例如,(21]。事实上,任何系统有分布质量和弹性可以以这种方式进行描述。使用公式(2)与已知的比率 ,我们马上看到一个严重的长度应该谨慎纤维束的如果一个人想要实现利用模式probe-sample交互。这种情况如图4的值小于 嗯,第一共振模式占主导地位的贡献。然而,已经为这个长度,第二个共振的贡献已经大约三分之一的总振幅犹豫不决。第一共振模式迅速变得微不足道的贡献更大的价值。考虑到上述第二抖动性能模式,可以说,经常声称利用模式弯曲光纤探针犹豫不决的性格不是这样的。真正的可用性探针的长度不到3毫米是极其有限的,因为工作的困难与短探针。以这样一种方式的特定设计应该使用探针。
与此同时,每个人都应该记住,减少的值的长度并保持相对较长的探针的免费部分新的共振模式将发挥作用。我们最受欢迎的学习计划的弯曲纤维附着在TF nonresonant条件(见图5(一个)弯曲的,类似的参数被用于(17])。那么急纤维弯曲和附加到TF的方法可能会导致降低开发模式效率由于模式激发探头的免费部分(见图5 (b)),而振荡主要是在发生方向;的价值这种模式是小于0.05。此外,探测器的免费部分的时间越长,越开发模式效率。令人不安的方式消除,短纤维应该使用技巧;也就是说,和值必须很小。
(一)
(b)
最后,让我们注意到类似的数值分析的标准AFM探针(一个悬臂0.5 5微米厚,50 - 200微米长,和20 - 50微米宽矩形梁10-30-micron长金字塔尖附加“弹性”是作为一个标准;整个探测器最初被认为是由一个完整的材料没有任何粘合)揭示了一个真正的开发模式的互动:因素范围0.95和更多的第一共振的情况。同时,最重要的是,AFM设置悬臂倾斜10 - 15度的正常样本表面导致下降的因素ca。0.75让它匹敌,下面讨论的优化弯SNOM探针和工作在第二共振模式。
3所示。实验
弯曲光fiber-made SNOM探针准备如下。单模光纤玻璃fs - sn - 3224从3 M (MN枫树镇,美国),125年μ米直径浸入ca, 40%高频水溶液与真空石油没有剥离覆盖物聚合物涂层(所谓管腐蚀方法(24])和蚀刻120分钟。蚀刻后,聚合物涂层溶解在热集中H2所以4。高频的解决方案是精心控制的温度,并保持在35±0 05°С。
磨纤维的弯曲的影响下发生集中有限公司2激光辐照,局部加热石英附近的熔点。纤维被推的顶端向激光由于表面张力产生的力量在该地区面临的梁,石英融化速度比另一侧。通过改变入射激光辐射的力量和焦斑的大小,就可以控制弯曲半径和角度。
下一阶段的探针制备由制造subwavelength-size孔径的光传输到他们的顶点。不同尝试实现一个已知的影子涂层过程(25,26]为此,但是他们都失败了由于几何复杂得多的调查相比,直。因此,盲人使用金属镀层与随后的亚波长孔径利用聚焦离子束铣技术;参见图6(一)扫描电镜图像的镀金属纤维和图6 (b)的特写镜头的顶端涂覆光纤。涂层,~ 150 nm的铝层厚度是利用Alliance-Concept伊娃760电子束蒸发沉积下来。在一些情况下,制备的亚波长孔径由最初简单的密集抓盲目完全覆盖金属探测器在一个适当的足够“刚性”样本(例如,载玻片)也被使用。
(一)
(b)
(c)
完成弯曲SNOM探针被粘到石英音叉double-resonant条件[中概述的过程后23]。由于这种蒙太奇需要匹配的频率,同时有必要仔细胶纤维上的金属外壳特遣部队(创建“要点”)和40-micron直径玻璃驾驶杆连接纤维和TF的翘起(参见图之一1)和精确控制的距离 。发现这个距离应该相等 嗯,在125年的情况下使用μfs - sn - 3224 fiber-made探针与弯曲参数如下: , μm, μm。驾驶杆连接探测器的TF的尖头叉子应该粘在ca。2毫米的距离点的纤维。这种纤维的附加方法音叉结果相当大质量的因素:初始值躺在10000 - 12000的范围,这是一个免费的特点卸载音叉在空气中,会降到合适的粘合后的值范围4000 - 6000玻璃纤维探测到它。例子,在图6,我们提出一个典型的振幅频率特性的弯曲纤维附着在TF(双共振条件因素是大约4300)一起调查的SEM图像小费。
孔径弯曲SNOM探测器的性能评估利用他们为探针的略现代化通常扫描近场光学显微镜,前面讨论的主要特点是(4,23]。在图7(一)677 - afm,提出地形图像校准光栅,2000线/毫米(Ted斗篷,整理、钙、美国)经常用来校准原子力显微镜。更严重的考验,云母样品包含人口APTES-modified上沉淀了DNA分子的表面,看,例如,(27),准备和AFM图像细节,使用;参见图7 (b)。
(一)
(b)
利用这些开发获得的近场光学图像模式弯曲探头呈现在图8(紫外图像的示例可以在[28])。
4所示。结果与结论
我们有了真正的开发模式扫描近场光学显微镜与单模玻璃光学fiber-made弯曲探头。广泛的数值模拟使澄清的必要条件来实现利用而不是剪切力probe-sample交互(并量化这一最初没有一个明确的概念)。基于这些模拟,我们准备这些探针和测试他们在现实SNOM装置;不仅校准光栅还mica-deposited DNA分子被成功成像。利用模式探测的效率,工作条件的第二个共振抖动模式,在于范围0.6 - -0.7不远的AFM悬臂效率的标准设置。有必要提到光学光纤弯曲SNOM探针准备后没有考虑上面的仿真结果和从他们的理解确实常常不能被视为在攻丝工作模式。
它展示了29日)利用模式SNOM比软生物样本的研究。此外,它可以与更好的性能(液体18]。我们提到设置的垂直振动提示,可以认为是一个真正的开发没有怀疑。同时,我们将演示如何实现开发模式SNOM使用弯曲的纤维。由于使用我们的专有double-resonant蒙太奇这些弯曲的探针在音叉(22,23),同样的小代理交互部队,躺在几纳米,甚至sub-nano-Newton范围,实现。这铺平了道路使用它们脆弱的生物样品的成像和未来工作液体。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢a·g·Mikhaylov的帮助在数值模拟的开始。这项研究部分由瑞士国家科学基金会支持,批准号200020 - 149424。
补充材料
R100中。avi -纤维的实际运动探测器在第二谐振模式与弯曲半径 μ因此m和技巧的运动可以被描述为主要“开发模式”。R800。avi -纤维的实际运动探测器在第二谐振模式与弯曲半径 μ米,因此提示可以被描述为主要的运动“剪切力”。(补充材料)