采用DDS的近场扫描光学显微镜探针2样品的纳米距离检测

　　0　引言

　　80年代初期,扫描隧道显微镜(STM, ScanningTunnelingMicroscope)的发明使人们在纳米科学技术领域前进了一大步,人们不仅可以得到物质的纳米(≤100 nm)尺度信息,而且提供了一个新的探测物质微观结构的思路.伴随STM的发明和近场扫描技术的发展和成熟,诞生了近场扫描光学显微术(NSOM,Near2field Scanning OpticalMicroscope),采用具有纳米尺度光阑的光纤探针将光场限制在波长范围之内,并在样品表面近场距离内逐点扫描成像,得到样品的纳米尺度内的光学性质.NSOM的分辨率只取决于探针孔径和探针与样品之间的距离,与光波长无关,突破了远场光学的衍射极限.NSOM将光学成像的空间分辨率提高到一个前所未有的水平,于是在许多领域中得到了广泛的应用,并取得了一些重要的成果.

　　NSOM的关键技术在于如何产生一个尺度足够小、透过率足够高的探针,并且始终将探针控制在样品的近场距离之内进行逐点扫描.光纤探针一般采用腐蚀法或熔拉法方法得到光纤锥尖,再在针尖绕轴旋转的条件下进行侧面镀膜,针尖处就形成了纳米光阑.间距控制方面常用的方法有切变力(shearforce)控制方法、法向力控制方法等,但是比较稳定、可靠的是切变力控制方法:采用一个横向谐振的光纤探针针尖在逼近样品表面时,在很小的范围之内,针尖与样品之间的短程相互作用力会明显影响探针的固有频率,导致其振幅和相位发生明显变化,从而检测出针尖已经位于近场距离之内[1].通常这种作用力在样品表面几十纳米之内.反馈控制系统以此振幅信号控制探针针尖和样品之间的距离,在扫描过程中使针尖和样品之间距离始终在近场距离之内.

　　为了得到较高的探测灵敏度和较好的稳定性,不仅需要高灵敏度的振幅探测器,而且需要精确的探针自由谐振时的谐振驱动信号.光纤探针和切变力控制方法给NSOM带来了技术性突破,也对NSOM的发展起了巨大的促进作用.

　　1　原理

　　为了得到高精度的探针谐振驱动信号,必须采用高精度的频率合成器.直接数字合成(DirectDigitalSynthesis, DDS)技术是随着集成电路技术、计算机技术和数字处理技术的迅速发展而诞生的一种频率合成方法,采用数字电路接口,具有很高精度的频率和相位分辨力以及相对较宽的频率输出范围,输出频率的稳定性只取决于输入时钟信号的频率稳定性,而采用石英晶体作为时钟信号源.DDS的频率输出非常稳定,可以作为高精度程控信号发生器[2].另外器件体积小,功耗低,它在通信、雷达、仪器仪表、高速计算机及导航系统中有很大的应用潜力.

　　一个典型的DDS如图1,其核心是一个相位累加器,由一个加法器和一个相位寄存器组成.DDS工作时, DDS频率控制寄存器中保存了输出频率值对应的相位增量值,在时钟信号的驱动下, DDS从频率控制寄存器中读出相位增量值,将其与相位寄存器中的相位值相加,相加的结果输入到正弦查询表的地址上,同时又送到加法器中准备与频率控制字作下一次累加.正弦查询表是一个完整周期内正弦波形的数据,每一个地址对应正弦波中0°~360°范围的一个相位点.这样,输入的地址相位信息映射成对应的正弦值,将此值送到DAC中经过数模转换和低通滤波器,输出瞬时的正弦值.由于整个输出是在时钟的驱动下进行的,DDS的输出就成为正弦波形.