光纖探針型近場光鑷與AFM相集成的納操作技術基礎研究.pdf

1、納米操作技術在納米器件或生物對象的操作、加工、裝配及測試中起著關鍵作用，目前已經(jīng)成為納米技術中一個極為重要的研究方向。作為具有獨特優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿Φ募{米操作工具，激光近場光鑷與原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）近年來在納米操作領域引起了廣泛的關注。考慮到納米操作多功能化發(fā)展的趨勢，將激光近場光鑷與AFM結(jié)合起來，可以給納米操作技術提供新的途徑。為提高納米操作系統(tǒng)的靈活性，本文研究了光纖探針型近場光鑷與A

2、FM集成納米操作技術的基礎理論及其系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術。
　　本文分析了激光近場光鑷技術和AFM納米操作技術的優(yōu)缺點，討論了二者的互補性，并在此基礎上提出了一種光纖探針型近場光鑷與AFM相集成的納米操作方法。
　　對激光近場光鑷的理論進行了分析，研究了三維時域有限差分（Three dimensional Finite Difference Time Domain，3D FDTD）方法計算近場光強的數(shù)值理論，并提出了一種基于三維

3、時域有限差分法和麥克斯韋應力張量的近場光阱力解析方法?；贏FM納米操作中各種作用力的分析，建立了AFM納米操作的作用力計算模型。
　　從分布圖樣、退極化和偏振性的角度對光纖探針的近場分布特性進行研究，并通過比較不同參數(shù)下近場分布的變化情況，對光纖探針的各個參數(shù)進行了合理選擇。針對激光入射下AFM探針尖端的近場增強效果，從探針尖銳度、長度和形狀方面對AFM探針的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。在此基礎上對光纖探針型近場光鑷與AFM探針相復合的近場

4、分布進行了計算，并分析了各參量對近場增強效果的影響。
　　采用基于三維時域有限差分法和麥克斯韋應力張量的解析方法研究了光纖探針型近場光鑷中光阱力的分布情況，并對操作空間內(nèi)微粒受到的光阱力、范德華力、毛細管力、布朗運動力、重力等綜合力學效應進行了分析。針對AFM操作球型納米微粒的情況，對探針、基底和微粒之間各種力的作用規(guī)律進行了分析。在此基礎上建立了光纖探針型近場光鑷與AFM探針復合情況下光阱力的計算模型，從縱向和橫向的角度對復合式

5、操作系統(tǒng)中光阱力的分布情況進行了分析。通過對捕獲能力、捕獲尺寸和捕獲位置的分析，界定了光纖探針型近場光鑷與AFM集成的納米操作能力。
　　從集成納米操作系統(tǒng)的架構(gòu)、部件等角度出發(fā)對光纖探針型近場光鑷架構(gòu)及其與AFM探針相復合的架構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設計，并探索了相關部件的研制方法。構(gòu)建了光纖探針型近場光鑷系統(tǒng)，并在AFM納米操作系統(tǒng)的基礎上構(gòu)建了光纖探針型近場光鑷與AFM探針相復合的納米操作系統(tǒng)，最終建立起了光纖探針型近場光鑷與AFM集成

6、納米操作系統(tǒng)。
　　以構(gòu)建聚合物納米結(jié)構(gòu)為目標，對120nm的聚苯乙烯微粒進行了納米操作，并對集成納米操作系統(tǒng)的操作特性以及近場光阱力的測量進行了研究。結(jié)果表明，光纖探針型近場光鑷能把直徑為激光波長1/7的納米微粒捕獲至光纖探針尖端，并形成內(nèi)徑與探針孔徑一致的多重圓環(huán)分布；AFM能準確地對球型納米微粒進行移動與排列操作。將光纖探針型近場光鑷與AFM探針復合后，可以更高效地對納米微粒進行捕獲與移動操作，并在基底上形成納米微粒集群，之