新型扫描近场微波显微镜的发展和构 造.pdf

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1、*新型扫描近场微波显微术高琛(中国科学技术大学国家同步辐射实验室合肥230026)项晓东(劳伦斯伯克利国家实验室材料部伯克利美国)吴自勤(中国科学技术大学天文与应用物理系合肥230026)摘要简要回顾了近场显微术，特别是扫描近场微波显微术的发展历史；简要介绍了新型扫描近场微波显微镜的结构、工作原理以及相应的微波近场显微理论；介绍了它在超导材料、铁电材料、高密度存储技术研究中的应用。关键词近场微波显微术，隐失波NOVELSCANNINGTIPMICROWAVENEAR-FIELDMICROSCOOPYGaoChen(NationalSynchrotronRadiationLabor

2、atory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026)XiangXiao-Dong(MaterialsSciencesDivision,LawrenceBerkeleyNationalLaboratory,Berkeley)ＷuZiqin(DepartmentofAstronomyandAppliedPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026)AbstractThehistoryofnear-fieldmicroscopy,especially

3、thehistoryofscanningtipmicrowavenear-fieldmicroscopyisbrieflyreviewed.Thestructure,principleofoperation,andtherelevanttheoryofanovelscanningtipmicrowavenear-fieldmicroscopearedescribed,aswellasapplicationsinstudiesofsuperconductingmaterials,ferroelectricsandhighdensitydatastorage.Keywordsscan

4、ningtipmicrowavenear-fieldmicroscopy,evanescentwave者说物体的存在并不会影响到源的发射，而载波1历史回顾的探测也不会影响到波与物体的相互作用。在这样的系统中，能量或信息的流动是单向的。所有的显微术都是将某种形式的波动作用经过长期的发展，各种远场显微术，包括相于物体，然后通过探测被物体调制了的、并负载应的成像理论都已趋成熟，并构成了一个较为完了物体信息的载波来重构物体某一物理性质的整的体系，在科学技术的进步中扮演了不可或缺空间分布。传统的显微术，如光学显微镜都属于的角色。然而，远场显微术的分辨能力受波动衍远场显微术。远场显微术的最大

5、特点是：源、物射极限的制约，对小于1/2波长的细节，远场显和探测器之间的距离远大于波长。由于相互之间微术无能为力。这也正是人们致力于发展各种短都在远场，成像的三个环节：即波的发射、波与波显微术，如电子显微镜、软X射线显微镜的原物体的相互作用和载波的探测是相互独立的，或*1998-03-30收到初稿，1999-05-24修回•630•物理因所在。这个极限一度曾被认为是不可逾越的。场作用的存在。那时的近场微波显微镜大多采用沿用Fourier光学中空间频率的概念，要想再现中空的波导作为探针。为了满足分辨率的要求，某一尺度的物体，必须用与其尺度相当或更高频波导的尺寸必须小于截止频率。微波

6、以指数衰减率的波与之作用并接收到相应空间频率的载波。的形式从波导中传向被测物体，因而能从波导中空间频率作为一种被载波是调制在负载波上的。通过并与物体发生作用的场很弱，系统的灵敏度[3]由于负载波无法携带高于其自身频率的被载波，很差。为了减小衰减，Bryant使用了渐细的同所以分辨率是有极限的。轴电缆。早期明确提出近场微波显微概念的是[1]事实上，早在1928年Synge就已意识到高Fee和Chu(1997年诺贝尔物理奖得主朱棣文)等[4]于负载波频率的被载波虽然不能传播，但却是存，他们改用一中心导体尖化了的微同轴电缆为在的，只不过被限制在距离光源或物体表面大约探针。由于同轴电缆没

7、有截止频率，灵敏度有了波长尺度的范围内，这就是所谓的隐失波较大的改善。但为满足分辨率而采用的小尺寸微(evanescentwave)。原则上讲，如果能接收到足同轴电缆或渐细同轴电缆的尖端还是有较强的够高空间频率的隐失波，分辨率是没有极限的。衰减，灵敏度仍不够理想。此外，在他们的设计在此基础上，Synge预言，用比波长更小的点源中，与物体作用的场还包含了较多的远场成分，在足够近的距离内照明物体或用比波长更小的背景信号较强，结果难以定量。此后，研究者们点探测器在足够近的距离内探测物体