光電的應用:近場光學新視界

 
2005/02/05 高宗聖 | 臺灣大學物理學系
蔡定平 | 臺灣大學物理學系     16,075
 
遠場光學與繞射極限

一八七三年,德國物理學家阿貝(Ernst Abbe)認為觀察者與被觀察者在遠場光學的範圍中(即遠大於一個量測波長的距離時),無法避免由於光的波動性質所造成的干涉與繞射效應。所以在傳統光學顯微鏡中,僅能獲得約二分之一個量測波長的空間解析度,這稱為光學繞射極限。

之後,英國的瑞賴(Lord Rayleigh)針對這一點寫下了所謂的Rayleigh準則:兩物體的距離必須大於或等於(1.22λ/2n sinθ)才能清楚地分辨出來,其中λ是所使用的光波長,n是所在的光學介質折射係數,θ是用來收集或聚光至感測器所用的物鏡光孔穴的半角。

因此在遠場光學的環境中,欲獲得高空間解析度,可利用(1)縮短使用光波的波長,如使用紫外光、X光乃至電子束等短波長的電磁波;(2)高折射係數介質,如油鏡或浸漬技術;(3)光孔穴半角大的物鏡,如大口徑與高曲度的物鏡。其中,為增加空間解析度而提高數值孔徑(numerical aperture,N.A.=n sinθ)的方式,雖然較為簡便,但效果有限。只有縮短光波波長的方式,效果最為顯著且較為普遍,如電子顯微鏡,利用短波長的物質波可以得到奈米(nm)級的解析度。但這種方式必須在高真空的環境中,且非金屬的樣品(如生物樣品)須先鍍上一層導電層,才可達到該有的解析度。而且在電子顯微鏡中,磁鏡的像差、高能量電子束造成的電荷累積、以及對真空程度的需求,也會對樣品產生影響,甚至破壞樣品本質。此外,上述的幾種方式其實都還是受光學繞射極限的限制。因此,如何突破繞射極限以及不破壞樣品本質,又可提供迅速且具高解析能力的量測方式,是光學顯微術研究人員努力的目標。

近場光學的發展

英國的辛格(E. H. Synge)及美國的歐基夫(O'Keefe)分別在一九二八年及一九五六年提出在近場光學中(即遠小於一個量測波長的距離)進行光學量測,可避免因大於一個波長的距離之後,光波動性質的呈現與干擾,便可獲得超越繞射極限的空間解析度。但受限於當時的工程與技藝,無法證實這一概念。

直到一九七二年亞許(E. A. Ash)與尼可斯(G. Nichols)才以波長是三公分的微波,證實的確可在近場範圍中達到1/60波長的空間解析度。但他們希望以可見光波長來進行近場顯微觀測的計畫,卻依舊受限於無法有效地控制約百分之一波長的近場光學距離及製作奈米尺度光孔穴的技術,而未能在當時實現。

一九八六年,賓尼(G. Binnig)及羅勒(H. Rohrer)因為在一九八二年製作出第一臺電子掃描穿隧顯微儀(scanning tunnelling microscope, STM)的重大貢獻,而獲得當年度諾貝爾物理獎。當時同在瑞士IBM研究中心的普爾(D. W. Pohl)立即了解到,可利用STM的技術解決近場光學顯微儀的技術問題。於是在一九八二年到一九八八年之間,費雪(Fisher)等人在德國哥廷根的馬克士普郎克研究中心、普爾等人在瑞士IBM研究中心以及路易斯(Lewis)等人在美國康乃爾大學,分別以STM的探針控制技術進行近場光學顯微儀的製作。

其中較佳的結果是以微細玻璃管做成的探針,外鍍一層鋁膜以形成奈米尺度的光孔穴,再在樣品表面上約數個奈米的固定高度以壓電陶瓷來精確控制及掃動這近場光學探針,可說是近場光學顯微儀的初步雛形。在這期間,空間解析度由100奈米到20奈米的結果都有,但在穩定性及重覆性上都不佳。所以如何製作更好的近場光學探針,來提高解析度以及有效地控制近場光學探針的高度,以避免微細玻璃探針與樣品的受損是當時努力的目標。

近場光學顯微術

隨著一九八六年賓尼等人在美國史丹佛大學發明的原子力顯微儀(atomic force microscope,AFM)的發展,各種利用AFM技術以控制各式不同探針的方法,迅速地在一九八八年後發展成各類的掃針顯微術 (scanning probe microscopy, SPM)。

一九九二年美國AT&T實驗室的Eric Betzig及羅徹斯特理工學院(Rochester Institute of Technology)的傅耶茲-伊拉凡尼(Mehdi Vaez-Iravani),分別提出以剪力顯微鏡 (shear force microscope, SFM) 的技術作為近場光學顯微儀光學探針的高度迴饋控制,並證實可獲得極穩定及重覆性頗佳的近場光學影像。其顯著的優點在於可同時獲得樣品表面的近場光學影像,與由原子力顯微儀所產生的表面形貌(topography)影像。兩者由獨立的檢測方式同時測得,如此可提供極有效的對照及研究參考。

從一九九二年起,近場光學顯微術開始在應用上展露其特點。近場光學顯微術的空間解析度大約是50奈米至20奈米,接近於電子顯微鏡的高解析度,但也兼具傳統光學顯微鏡的優點,屬於非破壞性方法,可量測到真實表面空間,樣品不需繁複製備手續,也不需在真空環境中進行檢驗,而可在空氣中、水中或各種溶液中進行觀測。同時也有其他光學訊息的優點,包括可利用光波的偏振性、相位、波長及螢光性等來作為光學顯微影像的對比,加上可對樣品進行反射、透射及各種光譜學訊息的分析及量測,尤其是所獲得的訊息是極為區域性的光學訊息,理論上能提供樣品表面小至分子尺寸的影像光譜訊息。

近場光學的應用

近場光學顯微術(near-field scanning optical microscopy, NSOM)的光學空間解析度,主要取決於光纖探針末端光學孔穴的大小,因而只要控制好探針上光學孔穴的大小,就可以獲得解析度是奈米級的三維空間影像,很接近電子顯微鏡的解析度。

對於高品質的數位影音多媒體及資訊儲存容量的需求迅速增加,具高儲存密度的光碟存取系統日益重要,而記錄點尺寸的縮小成為達成高密度儲存的必要條件。

由以往商業化CD光碟片,到現行市場主流的數位影音DVD光碟片,存取數位信號的記錄點直徑由八百奈米縮小到四百奈米,在藍光光碟片中,記錄點直徑更縮小至大約二百奈米!然而記錄密度的提升,卻因利用傳統光學原理的存取機制,而受到光學繞射極限的限制,故只能藉由縮短光源波長及提高光碟讀寫頭數值孔徑等方法來求取有限的成長。

相較之下,近場光學顯微術因可突破繞射極限而獲取超高解析度,所以可應用在高密度光資訊存取上。即利用近場光學顯微儀,使光纖探針尖端與樣品間保持約一到十奈米的距離,再以不同的波長及功率的雷射光,經光纖探針送至記錄層的表面,使光與之作用,再觀察其幾何形貌或近場光學影像上的變化。

但利用光纖探針來收光、送光的方式,有一些困難,如需要精密地控制光纖探針在記錄層表面上大約幾個奈米的高度、光纖探針易因外力而損壞等等,都使得超高密度近場光學存取技術的實現,面臨很大的挑戰。

一九九八年七月底,在美國聖地牙哥SPIE的年會上,由日本通產省工業技術研究院的富永淳二(J. Tominaga) 研究群提出,可由一層奈米級的光學薄膜的材料特性及厚度,有效地控制寫入記錄點的大小,以及用近場光學的原理來分辨對小於繞射極限間距的記錄點傳遞的訊息,以達超高密度近場光學記錄的效果。

近場超解析結構(super-resolution near-field structure, Super-RENS)的記錄方法,澈底簡化了近場記錄所需的設備,使得近場光纖探針所遇到的困難一一排除,甚至只用目前商用DVD光碟機的設備便可以有近場記錄的效果。

近場超解析結構(Super-RENS)發展出來之後,不僅是近場光學及光學資訊儲存的一大突破,也是其他應用奈米科學和技術的一大突破。對光學記錄而言,可以發展越來越小的光碟片,而記錄密度卻是現在DVD容量的好幾倍,隨之而來的便是播放機的縮小、讀取速度的增進、不需再攜帶現今使用12公分直徑大的光碟片等,資訊儲存工業將再向前推進一個新的世代。

此外,近場超解析結構並不只適用於光學記錄上,更可應用於半導體工業的奈米線寬製作上,只需透過近場超解析結構的效應,在光阻上做好刻板模型,不需極高的成本,就可製作出極微小的電子元件。

放眼「小」世界  展望新未來

近場光學顯微術的發展,得到了許多前所未能測得的光學訊號及應用物理上的新發展,如單一染料分子的螢光近場顯微光學影像,單一分子及單一蛋白質的近場光化學及其超快光學動態量測,近場區域性(100奈米)拉曼光譜在鑽石表面上的量測,以及近場超解析結構對超高密度儲存記錄的發展等等。預期此一新技術會被大量且迅速地應用在生物、醫學、半導體及高分子材料等的研究上。

此外,在奈米技術的領域中,近場光學顯微術除了可用以取得極小區域的光學訊號作為光學影像或光譜研究之用以外,也可成為研究樣品表面上奈米尺寸的區域中,改變或主導樣品表面結構或物理性質的一種新工具。相信在不久的將來,也會成為奈米製造技術中一個重要的部分。

附錄

近場光學顯微術 孔穴直徑與其到待測物表面的距離都遠小於一個波長,近場光學訊號因為這一光孔穴的存在而產生,於是記錄樣品表面上每一點的近場光學訊號強度,並把它做成二維平面排列後,便可得到近場光學顯微影像。

超解析近場光碟片 傳統的光儲存技術在記錄密度愈來愈高時,也都會面臨訊號寫入或讀出的問題,如「光學繞射極限」的限制。目前一般的光學儲存媒體,如CD及DVD,是把光源經由透鏡聚焦於記錄層上以進行光學讀或寫的作用,算是一種遠場光學的儲存技術,其可辨識出的記錄點的大小,會受到繞射極限的限制,而近場光學的記錄方式則是在遠小於所使用的工作波長的距離內來做記錄,因為光的波動性質還未呈現出來,故近場光學記錄是不受繞射極限限制的一種新的光學記錄方法。近幾年來的一些近場光學記錄研發,主要是超解析結構近場光碟片,這種技術可以用一般光碟機的讀寫頭,在記錄層上寫入或讀出一個小於光學繞射極限尺寸的記錄點,公認是超高密度奈米光學資訊儲存技術的一大突破。

數位影音光碟片的發展趨勢 為達到儲存容量增加的要求,利用記錄軌與軌之間的間距縮短、高數值孔徑透鏡的使用及短波長光源的方法,來達到記錄點尺寸的縮小,以在相同面積中可以達到更高的儲存密度。但無論如何改善以上的方法,都還是受到繞射極限的限制。

掃描探針顯微術 掃描穿隧顯微儀的主要物理原理是利用量子力學中的電子穿隧效應,當一個金屬探針被帶到導電樣品表面 1 nm 左右的距離範圍內,電子可由樣品或針尖(端視加在針尖及樣品兩極間的電壓 V 的相對極性)穿過真空位障抵達相對的電極。由於穿隧的機率和兩極間的間距成指數反比的敏感關係,所以藉偵測穿隧電流的大小並以回饋系統控制兩極的間距,可以維持兩極的距離固定在 0.1 埃(1 埃 = 0.1 nm)的精度內。因此,藉著掃描金屬探針在可導電樣品(例如金屬、半導體等)的表面,我們可以獲知樣品的表面形貌。更由於穿隧電流主要發生在針尖上最突出的一顆原子上,掃描穿隧顯微儀可具有原子級的橫向解析力。其早期發展的最驚人功能即是證實人類可以獲得實際空間的原子影像,其中最具代表性的工作是賓尼(G. Binnig)及羅勒(H. Rohrer)等人在早期以掃描穿隧顯微儀獲得矽面上 7 × 7 重構的原子像,第一次讓人們看到這個著名重構表面的真實面目,從此奠定了掃描穿隧顯微儀在決定固體表面原子結構上的重要地位。隨著其技術的發展,科學家很快地發現,它除了可用來提供表面原子的排列訊息外,也能用來觀察動態現象:如原分子擴散、吸附及表面磊晶成長等。