光学显微技术结课论文

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1、燕山大学光显微技术结课论文燕山大学光学显微技术结课论文题目：光子扫描隧道显微技术在光电成像系统中的应用学院（系）：理学院年级专业：10级电子(1)班学号：100108040008学生姓名：张营指导教师：孙伟教师职称：讲师第2页共10页燕山大学光学显微技术结课论文第9页共9页燕山大学光学显微技术结课论文光子扫描隧道显微技术在光电成像系统中的应用张营理学院10级电子信息科学与技术（1）班摘要：本文通过电子隧道效应理论和光子隧道效应理论的对比，内全反射（TIR）棱镜表面成指数衰减规律消逝场的分析，叙述了一种新型的光子扫描隧道显微技术(PSTM)及其在光电成像系统中的应用。将被分析的样品置

2、于棱镜表面，它便会空间上调制上述消逝场，通过对被调制消逝场的检测、分析，获得远小于光波波长的空间分辩能力，进而可以得到高分辨率、清晰度的样品表面形貌图。本文还利用PSTM的系统框图叙述了光子扫描隧道显微技术在光电成像系统中的工作原理，简要介绍了PSTM系统的光纤探针、机械调节装置、三维扫描控制器件和微机控制系统等几大重要结构部件及其分别对样品成像质量好坏的重要影响。关键字：光子隧道效应；光子扫描隧道显微镜；光纤探针；光电成像系统Keywords：Photontunnelingeffect;Photonscanningtunnelingmicroscopy;Theopticalfib

3、erprobe;Photoelectricimagingsystem引言1982年，电子扫描隧道显微镜（STM)的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。利用对光子隧道效应进行检测而产生的光子扫描隧道显微技术是近些年来才出现的一种新型的非接触式显微技术。目前研制的光子扫描隧道显微镜（PSTM）在结构上与STM类似，制作简单，能获得高分辨率、清晰度的物质表面结构。但PSTM相对于STM具有可用于电解质和绝缘体等不导电样品表面的观测，可进行表面三维立体成像和不需要真空工作条件，成本、维护费用均很低等优点。因此，PSTM在光学领域

4、、材料表面科学等领域有更广阔的应用前景。目前国际上已经展开了PSTM技术在多领域、多方面的应用，本次课题主要研究PSTM技术在光电成像系统中的工作原理及应用。第9页共9页燕山大学光学显微技术结课论文1电子扫描隧道显微技术1.1隧道效应对于经典物理学来说，当粒子的动能E低于前方势垒高度V0时，它不可能越此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这就是隧道效应。根据量子力学的波动理论，粒子穿过势垒的透射系数T≈16E(V0-E)V02e-2aℏ2m(V0-E)（1）[1]由此可见，透射

5、系数T与势垒高度a、能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减。1.2电子隧道效应及STM成像原理STM成像技术就是基于量子力学中的隧道效应与原理，通过探测固体表面原子中的电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。根据量子力学理论，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与样品的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离<1nm)时，两者的电子云略有重叠。若在两极间加

6、上电压Vb，在电场作用下电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流I。隧道电流I的大小与针尖和样品间的距离S以及样品表面平均势垒的高度A有关，其关系式为：I∝Vbexp⁡(-AΦ12s)（2）[2]由此可见，隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离S极为敏感，如果S减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，第9页共9页燕山大学光学显微技术结课论文也将通过其隧道电流显示出来。借助电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出样品的表面形貌图。2光子扫描隧道显微技术2.1光子隧道效应如图1所示，当

7、光波从电介质材料n1通过界面进人电介质材料n2时，设n1>n2，根据折射定理，当人射角θ1，增加到一定程度，就有sinθ2=n1sinθ1n2>1，此时，θ2就不是一个实数，而是一个复数，相应地就会在介面上发生内部全反射。这时，根据物理光学的理论，在介面上，n2介质中就会产生指数衰减的消逝场，即消逝场场强I的关系式为I∝exp⁡[-k0Zn12sinθ12-n2212]（3）[4]其中k0=2πλ，θ1为人射角，Z为等幅面常数。图1全反射下的消逝场示意图[4]根据理论