光子掃描隧道顯微鏡

背景簡介

背景

光學顯微鏡使用方便，圖像解釋簡單明了，對試樣無損傷，可觀察物質的自然狀態，通過光譜技術還能研究其化學組成等，因而套用範圍極廣。但其解析度受光波半波長的衍射限制，約 0.2～ 0.5μm。現代半導體積體電路的線寬已小到十分之幾微米，細胞生物學等領域也需要更高的解析度。

衍射分辨極限帶來的限制

常規光學顯微鏡的有效放大倍數受到光學系統的衍射極限的限制，根據瑞利判據空間分辨極限為光子掃描隧道顯微鏡的原理與套用概述，波長、折射率、光學系統的孔徑角。

由上式可以看出在可見光波段其分辨不能達到納米量級。

存在於樣品表面的隱失場

物體表面外的場分布可以劃分為兩個區域: 一個是距物體表面僅僅幾個波長的區域, 稱為近場區域; 另一部分從近場區域外至無窮遠處稱為遠場區域，常規的觀察工具如顯微鏡, 望遠鏡及各種光學鏡頭均處於遠場範圍，遠場所呈現的是物體的大于波長範圍的結構，而近場表現的是物體遠小于波長的精細結構，近場存在的即是隱失場。

隱失場是離開物體或光源表面在空間急劇衰減的電磁場，隱失場和傳播場不同，它對光源和物體本身的擾動已不可忽略。它僅僅存在於物體最表面, 而不能向遠處傳播，由此知道物體中細微結構的信息不能傳遞到遠場去, 而被限制在接近物體表面的區域。所以，衰逝波為非輻射場。

PSTM簡介

1928年 E.H.Synge提出了一種可以克服 (遠場)衍射極限的方法：用一個直徑比波長小很多的小孔光闌作光源並使其離試樣的距離也小於一個波長，則成像的解析度將受小孔尺寸的限制。由於技術上的困難，直到1982年發明了掃描隧道顯微鏡 STM，這種近場光學顯微鏡才可能實現。 1989年 R.C.Reddick等製成光子掃描隧道顯微鏡PSTM，其機理與 STM 相似，解析度優於光波半波長值。而且可以利用光學顯微鏡成熟的多種成像機制和方法研究觀察大氣條件下的透明體等一般電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡難以解決的課題，引起世人矚目。

光子掃描隧道顯微鏡是一種特殊的光學顯微鏡，它利用全內反射的隱失場，打破了傳統光學顯微鏡衍射極限的限制，實現了納米水平的解析度。它不僅可以觀測樣品的表面形貌，而且可以測量樣品的微區折射率分布情況。

事實上，電子掃描隧道顯微鏡（ESTM) 與光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)不論在機理上,還是在結構上都有著極為相似的一面。相比之下，光子掃描隧道顯微鏡可以說是顯微儀器家族的新成員，其理論基礎來源於近場光學。