• 产品名称:基于双压电陶瓷片的反射模式多赢彩票近场扫描
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  • 发布时间: 2019-04-16
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基于双压电陶瓷片的反射形式近场扫描光学显微镜基于双压电陶瓷片的反射形式近场扫描光学显微镜第卷第期年月电子显微JournalofChineseElectronMicroscopySocietyVoNooo作品编号:()基于双压电陶瓷片的反射形式近场扫描光学显微镜蔡微,徐平,钱筑强,李渊,姚骏恩(北京航空航天大学理学院物理系,北京)摘要:先容了一种反射形式近场扫描光学显微镜该体例以双压电陶瓷片行为驾御光纤探针与待测样品之间隔断的主题元件,以粘有光纤探针的双压电陶瓷片的第一个谐振频率来驱动光纤探针平行于样品外面振动,采用均方根检测电途丈量振动信号的幅度,进而驾御光纤探针与样品之间的隔断正在样品外面的近场畛域之内运用该体例获取了标定光栅和刻录光盘薄膜等样品外面的剪切力形色图像和反射形式近场光学图像症结词:近场扫描光学显微镜双压电陶瓷片剪切力检测探针一律品间距驾御中图分类号:THTG文献标识码:A扫描近场光学显微镜(scanningnearfieldopticalmicroscope,SNOM)或近场扫描光学显微镜(nearfieldscanningopticalmicroscope,NSOM)是扫描探针显微镜(scanningprobemicroscope,SPM)行家族中的一个主要成员它冲破了守旧光学显微镜的衍射离别极限,可以正在介观和纳米标准上采集资料外面的光学音信,正在资料,物理及生物等方面有着辽阔的利用前景,抵达超衍射极限光学离别率的症结要求之一即是杀青光纤探针和样品问距的纳米级驾御目前风行的形式是运用非光学形式探测光纤探针针尖与样品之间的剪切力来杀青这种驾御其紧要道理是:将光纤探针固定正在某种呆滞振子上,以振子的谐振频率引发探针平行于样品外面振动当探针相当靠拢样品时,探针与样品外面之间会爆发剪切力彼此效用,振子振动的幅度会衰减,振动的相位也会发作改造通过非光学形式检测出振动信号的幅度或相位的转化,就能仍旧探针处于样品外面的近场畛域之内Karrai和Grober最早杀青了这个道理,他们运用石英音叉行为探测剪切力的呆滞振子,以音叉的固有频率驱动探针平行于样品振动,检测出的压电信号与探针振动的幅度呈比例闭联,获取了得胜然则正在实质操作中,采用基于石英音叉的形式必要较高的本事,这是由于石英音又的尺寸很小,正在它的一个臂上粘接光纤探针相当穷苦其次石英音叉的材质较脆,正在打算流程中很容易将它碰断别的石收稿日期:修订日期:基金项目:邦度自然科学基金资助项目(No)Foundationitem:NationalNaturalSeienceFundationofChina(No)作家简介:蔡微(一),男(汉族),湖北宜昌人,博士斟酌生*通信作家:钱筑强,副讲授,博士斟酌生导师Email:qianjqbuaaeducn英音叉具有很高的Q值,节制了扫描速率因而本文采用了一种双压电陶瓷片行为探测剪切力的呆滞振子,该形式的装配机闭方便,坚韧,粘接光纤探针容易操作采用低价,体积小巧的均方根检测电途取代腾贵而体积大的锁相放大器,检测振子的振动信号正在商用扫描探针显微镜的根源上研制出了一套反射形式近场扫描光学显微镜观测体例利用该体例能同时获取样品外面的剪切力形色图像和相应的反射形式近场光学图像做事道理本文采用的以双压电陶瓷片为主题的剪切力检测计划,其呆滞振子机闭如图所示双压电陶瓷片为三层机闭,安排两侧各有一片压电陶瓷,中心夹层为大众电极将光纤探针粘接正在右侧的压电陶瓷片上,构成探测针尖与样品之问剪切力的呆滞振子用信号发作器以该振子的共振频率引发左侧压电陶瓷片振动,使得光纤探针以几个纳米的振幅正在平行于样品外面的宗旨上振动右侧粘有光纤探针的压电陶瓷片因压电效应而爆发与引发信号频率无别的信号通过检测这个信号的幅度巨细,就可能明了振子的振动景况当探针靠拢到样品的近场畛域内时会受到与样品之间的剪切力彼此效用,信号的幅度将会减小把体现信号幅度巨细的电压值接人压电陶瓷扫描管的反应驾御回途使信号幅度仍旧恒定,就可能确保光纤探针处于样品外面的近场畛域之内光电倍增管同时采集光纤探针导出的近场光电子显微JChinElectrMicroscSoc第卷强信号,并实行扫描就能取得样品外面的反射形式近场光学像引发信号双压陶瓷图双压电陶瓷片振子机闭示图谋FigSchematicofthepiezoelectricbimorphoscillator体例构成反射形式SNOM测验装配的机闭如图所示测验采用中邦科学院声学斟酌所出产的一种三层机闭双压电陶瓷片行为主题元件该元件的中心层为大众铜电极,两侧各有一片压电陶瓷片,每个压电陶瓷片外层镀有银电极双压电陶瓷片元件的尺寸为:长mm×宽mm×厚mm截取长度为ram安排的双压电陶瓷片实行体例测验装配的搭筑最初将双压电陶瓷片的三个电极用导线引出中心的铜电极接地行为引发的一侧结合到信号发作器(AgilentA)另一侧行为检测片,信号通过同轴樊篱导线结合到前置放大器j(前级约放大倍),以减小市电噪声搅扰然后将制备好的光电陶瓷片前端约mm光纤探针采用守旧的化学侵蚀法制备将带有光纤探针的双压电陶瓷片用一个夹具固定正在样品上方的竖直外面由于双压电陶瓷的外面镀有电极,于是要对各接触面均实行绝缘处分双压电陶瓷片伸出夹具底部大约mm,mm,组成一个自缢前置放大器的输出信号V(t)直接送入均方根检测电途,以输出振动信号的均方根值(RootMeanSquareValue)这个值可能用来体现振子振动信号的幅度,其外达式为:肿=此中为丈量韶华,V(t)是振动信号当振动信号为正弦波时,信号幅度V=终末将接入压电陶瓷管扫描器闭环反应驾御体例入网算机与反应体例的结合与原扫描探针显微镜(中科奥纳,NSPM)无别利用红光半导体激光器(nm,mw)映照正在待测样品大将光纤探针的另一端末尾切平,直接接入光电倍增管(滨松CR)光电倍增管输出的电流信号源委IV转换,放大和滤波电途之后接入企图机AD搜聚卡的空闲通道中谐振频率测定双压电陶瓷片有众个共振峰,斟酌到聪敏度及成像质料,挑选基频行为驱动信号的频率双压电陶瓷片自缢共振频率的外面企图可能简化为企图弹性自缢的振动题目可用现有弹性振动外面来求纤探针粘接到双压电陶瓷的一侧光纤探针伸出压解这里直接给出其基频厂的外达式:放大电途南,憎牟,r,,l…l一LlJl一雾…ll上前置放大器均方根检测器夹具逐一llJ光器II反应体例l,rr双压电陶瓷片一I样品一踊翮压电陶瓷扫描管aj企图机图反射形式SNOM机闭框图FigSchematicoftheSNOMoperatinginreflectioncoflectionmode第期蔡微等:基于双压电陶瓷片的反射形式近场扫描光学显微镜f=(刁不)(IL)(Ep)()此中常数刁=,T为双压电陶瓷片的厚度,L为双压电陶瓷片伸出固定夹具的长度,E为杨氏模量,P为片的密度基频的巨细与陶瓷片伸出长度L的平方成反比,取E:xNm,P=xkgm算得L:mm时的基频值为kHz正在粘接光纤探针之前,创立引发电压的幅度峰一峰值=lOOmV,改造频率值,丈量均方根检测器的输出电压来获取无光纤探针振子的谐振弧线正在基频邻近丈量取得的谐振弧线如图所示从图中可能看出基频值为kHz,与外面值相差共振峰的Q值(fAf)大约为粘上光纤探针之后,再次丈量振子的谐振弧线,振子的共振频率发作了少少偏移,基频为Hz,Q值略为减小引发信号频率Hz图基频邻近的谐振弧线方框代外未粘结光纤时的谐振弧线,圆圈代外粘有光纤的谐振弧线FigFrequenc)responsecurvemeasuredaroundthefirstresonanceThesquaresrepresenttheresonancewithoutopticalfiberprobeThecirclesrepresenttheresonancewithopticalfiberprobe靠拢弧线用一片清洁的盖玻片行为样品,直接用企图机驾御压电陶瓷管扫描器z宗旨的伸缩来丈量光纤探针的靠拢弧线测验时,创立引发信号幅度峰一峰值:mV,频率厂=Hz压电陶瓷管的z宗旨仍旧定标,最大行程m,可由位DA输出电压直接驾御其伸缩通过软件编程来驾御样品以每步nm的步长靠拢光纤探针,同时搜聚均方根检测器的输出电压丈量取得的靠拢弧线如图所示,从图中可能看出振子自正在振荡时的均方根幅度约为V,进入近场畛域(约为nm)此后幅度值速速衰减,终末衰减到V安排时,幅度根本不再转化这时的状况即视为探针仍旧接触了样品外面OOlO探针样品隔断nm图靠拢弧线FigApproachcurve遵照靠拢弧线的特性来创立压电陶瓷扫描管的反应驾御体例,使得扫描样品时振子的振幅仍旧为自正在振动状况的安排云云正在全盘扫描的流程中,光纤探针都可以仍旧正在样品的近场畛域之内,记载下扫描流程中压电陶瓷管伸缩的数据,由此取得的图像即是样品外面的剪切力形色图像同时记载光电倍增管输出的电流信号的巨细,就取得了样品的反射形式近场光学图像测验结果采用上述体例对校准原子力显微镜的标定光栅实行测试光栅条纹间距为m同时获取了样品外面的剪切力形色图像(图a)和光学图像(图b)将可刻录光盘(CDR)外面的薄膜行为测试样品,其条纹间距为zm同时获取了样品外面的剪切力形色图像(图a)和光学图像(图b)把该样品的光学图像和形色图像比较,可能看出相看待形色图像,光学图像中每个条纹沟道底部和顶部的衬度大致无别这种局面或者是该样品条纹沟道底部和顶部对入射光的反射率大致无别变成的,其光学衬度的酿成有待进一步测验和领悟筹议运用基于双压电陶瓷片的剪切力检测装配,正在商用扫描探针显微镜的根源上研制出了反射形式近场扫描光学显微镜观测体例采用均方根检测电途取代守旧的锁相放大器行为信号检测的格式,整套仪器机闭小巧,做事安闲但因为压电陶瓷片共振lll之颦OA孽藤第期蔡微等:基于双压电陶瓷片的反射形式近场扫描光学显微镜刘秀梅,洪涛,王佳,李杀青用于扫描近场光学显微SayahA,PhiliponaC,LambeletP,PfefferM,Marquis一镜的一种新型非光学样品一探针间距测控形式JWeibleFFibertipsforscanningnearfieldoptical电子显微,,():microscopyfabricatedbynormalandreverseetchinglJjJahnckeCL,BrandtFellowsKEChoosingaUltramicroscopy,,():preamplifierfortuningforksignaldetectioninscanningforceSaridDScanningForceMicroscopylMjOxford:OxfordmicroscopyJRevScilnstrum,,():UniversityPress,ArenectinmodeSNoMbasednpiezoelectricbimorphCAIWei,XUHng,QIANJianqiang,LIYuan,YAOJunen(DepartmentofPhysics,SchoolofScience,BeihangUniversity,Beijing,,China)Abstract:ASNOMoperatinginreflectionmodewasdescribedinthisarticleAkindofpiezoelectricbimorphwasusedinthissystemasthekeycomponentfortipsampledi~anceregulationTheopticalfiberprobeoscillatesparalleltothesamplesulfacebydrivingthebimorphwiththeprobeatitsfirstmodalresonanceTheRMSdetectingcircuitwasusedtonleasuretheamplitudeoftheoscillatingsignaThedistancebetweentheopticalfiberprobeandthesamplecanberegulatedinthenearfieldofthesamplesulfaceThefineshearforcetopographicimagesandthenearfieldopticalimagesofthecalibrationgratingandthefilmofCDRdiskhavebeenobtainedKeywords:SNOMbimorphshearforcedetectiontipsampledi~anceregulation

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