光子扫描隧道显微镜探针的研制和应用

摘要

本学位论文主要研究光子扫描隧道显微镜（PSTM）探针的研制和PSTM探针在distearyl3，3’-thiodipropionate自组装分子膜STM研究中的应用。PSTM探针是既能传输电子又能传输光子的多功能扫描探针。它能够应用到STM上通过传输电子获得和金属探针一样效果，又能应用到近场光学显微镜上获得样品表面的光学信息。本试验采用化学腐蚀法制备光纤探针，并通过磁控溅射方法在光纤探针表面沉积导电金属膜和ITO膜，使PSTM探针满足既可传输电子又可传输光子的要求。
　　 在光纤探针的化学腐蚀方法中，系统研究了静态腐蚀时外界因素和腐蚀体系内部因素对光纤探针形貌的影响。通过理论分析发现：光纤探针的形状主要和腐蚀液与保护液在光纤表面形成的弯月面高度有关，而弯月面的高度和界面与探针之间形成的接触角、溶液的性质如界面张力、密度差有关，且在特定体系下弯月面高度和光纤探针直径成正比。因此改变腐蚀体系的性质如改变腐蚀体系的保护层溶液的种类和腐蚀液的浓度将会引起弯月面高度的变化进而影响光纤探针的形状。静态腐蚀结束后在原体系内进行第二次修饰性腐蚀的研究表明，预制探针整个浸入到腐蚀液后，腐蚀液对其表面进行均匀腐蚀，可以消除探针锥面的蜂窝状形貌，HF酸对光导纤维芯径和包层的不同腐蚀速率导致探针圆锥角变大。这种动态性的修饰性腐蚀不仅会增大探针的圆锥角，消除锥面的蜂窝状粗糙形貌，还对探针的锥型有所影响。受光纤探针特殊形态和镀膜的要求，采用垂直悬挂法磁控溅射沉积Ni或ITO薄膜。光子探针导电率、透光率、膜厚、曲率半径和STM测试表明研制的PSTM探针符合试验要求。
　　 Distearyl3，3’-thiodipropionate分子在固-液界面形成自组装膜的STM研究表明distearyl3，3’-thiodipropionate分子在HOPG上形成的自组装膜与液相体系中溶液浓度有很大关系。在较低浓度下，Distearyl3，3’-thiodipropionate自组装行为比较类似于长链醚；较高浓度下，Distearyl3，3’-thiodipropionate自组装行为比较类似于长链硫醚。且在较低浓度下distearyl3，3’-thiodipropionate分子在X轴向和Y轴向的排列组成方式有所不同，并发生120°的扭曲。理论模型分析表明distearyl3，3’-thiodipropionate分子在HOPG上的吸附方式比较特殊，distearyl3，3’-thiodipropionate分子采取侧躺方式吸附在HOPG上，这和其他研究中吸附分子采取平躺方式吸附在HOPG上不同；分子排列发生扭曲时，分子的吸附方式也有所变化，排列扭曲前分子两端均吸附在HOPG上，扭曲后分子的一半吸附在HOPG上另一半悬浮在溶液中形成稳定的自组装膜。在较高浓度下，分子形成的排列在较大范围内没有发生偏转。通过研究S原子在图像中的亮度变化，发现S原子和Br原子相似，S原子处于分子链的上方时，S原子和针尖的距离较近，更有利于增大探针与样品之间电子隧穿几率在图像中显示为亮点；S原子处于分子链的下方时，S原子和针尖的距离较远，不利于探针与样品之间电子隧穿几率，在图像中显示的亮度较暗。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 近场光学显微镜简介及发展

1.1.1 近场光学的发展

1.1.2 近场光学显微镜的基本结构

1.1.3 近场光学的理论基础

1.1.4 近场光学显微镜的种类和发展

1.2 近场光学探针

1.2.1 近场光学探针的发展

1.2.2 光纤探针的演变和种类

1.2.3 光纤探针的工作方式

1.2.4 近场光纤探针的制作方式

1.2.5 近场光纤探针的金属薄膜沉积

1.3 光纤探针的性能测试

1.4 纳米光纤和近场光学显微术的应用

1.4.1 高分辨率光学成像

1.4.2 高密度信息存储

1.4.3近场光谱

1.5 本学位论文的研究目的和创新之处

1.5.1 本学位论文的研究目的

1.5.2 本学位论文的创新之处

参考文献

第二章 光纤探针的化学腐蚀

2.1 引言

2.2 材料与仪器

2.2.1 实验材料

2.2.2 试剂

2.2.3 仪器和设备

2.3 实验方法

2.3.1 静态腐蚀制备光纤探针试验方法

2.3.2 动态腐蚀制备光纤探针试验方法

2.3.3 静静结合两步法制备光纤探针试验方法

2.3.4 管式腐蚀制备光纤探针试验方法

2.4 静态腐蚀制备光纤探针结果与分析

2.4.1 温度对光子探针制备的影响

2.4.2 振动对光子探针制备的影响

2.4.3 腐蚀时间对光子探针制备的影响

2.4.4 保护层对光子探针制备的影响

2.4.5 腐蚀液对光子探针制备的影响

2.4.6 综合各因素对光纤形貌的影响及理论解释

2.5 动态腐蚀制备光纤探针结果与分析

2.5.1 静—动态腐蚀制备光纤探针

2.5.2 两步静态腐蚀制备光纤探针

2.5.3 结合静态腐蚀和动态腐蚀对蜂窝状光纤表面的理论解释

2.6 管式腐蚀制备光纤探针结果与分析

2.7 本章小结

参考文献

第三章 光纤探针的镀膜

3.1 引言

3.2 材料与仪器

3.2.1 实验材料

3.2.2 试剂

3.2.3 仪器和设备

3.3 实验方法

3.3.1 磁控溅射沉积Ni膜或ITO膜

3.3.2 化学镀银

3.4 结果与讨论

3.4.1 光纤探针上磁控溅射金属Ni的研究

3.4.2 光纤探针的银金属包覆的研究

3.5 本章小结

参考文献

第四章 光子探针的性能测试

4.1 材料与设备

4.1.1 实验材料

4.1.2 仪器与设备

4.2 测试方法与结果

4.2.1 电阻率的测定

4.2.2 通光率的测定

4.2.3 光子探针膜厚及曲率半径的测定

4.2.3 光子探针的STM图像扫描的测定

4.3 本章小结

第五章 固—液界面长链烷烃衍生物的STM研究

5.1 引言

5.2 材料与设备

5.2.1 试剂材料

5.2.2 设备

5.3 SAMs制备方法

5.3.1 HOPG基底准备：

5.3.2 自组装固—液界面单分子自组装膜制备

5.4 自组装膜的形貌与结构表征

5.5 结果与讨论

5.5.1 Distearyl 3，3’—thiodipropionate分子的空间结构

5.5.2 溶液浓度对Distearyl 3，3’—thiodipropionate分子自组装膜的影响

5.5.3 Distearyl 3，3’—thiodipropionate分子自组装膜的第一种形态

5.5.4 Distearyl 3，3’—thiodipropionate分子自组装膜的第二种形态

5.5.5 Distearyl 3，3’—thiodipropionate分子自组装膜的理论模型分析

5.6 本章小结

参考文献

结论与展望

结论

展望

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢