用于近场光学显微镜的探针及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学测试技术领域，尤其涉及一种用于近场光学显微镜的探针及其制备方法。
【背景技术】
[0002]测量材料对光的吸收、散射以及发光现象，是研究半导体内载流子的跃迁、复合以及晶格运动模式的重要实验手段，并且对样品无损伤。而随着纳米技术的发展，人们感兴趣的材料和器件的尺度越来越小；而普通的光学探测手段受到显微物镜衍射极限的限制，其空间分辨率一般在微米数量级上。而自20世纪80年代以来，随扫描探针显微镜技术的快速进步，其与光学探测技术相结合，发展出的近场光学显微镜，具有超过衍射极限的光学空间分辨率，成为解决这一问题的重要方案和纳米结构研究中的一种重要手段。
[0003]和其它扫描探针显微镜一样,近场光学显微镜也是将一个针尖置于样品表面，通过探测针尖样品间的隧道电流或者原子力相互作用来维持针尖样品间距离的恒定，通常在I nm的数量级上。进而通过针尖在样品表面的扫描，逐点采集样品表面的光信号。近场光学显微镜主要通过两种方式来实现超过光学衍射极限的高空间分辨率:有孔探针近场光学显微镜和散射式近场光学显微镜。
[0004]图1A及图1B所示为现有技术中近场光学显微镜的探针示意图。参见图1A，有孔探针近场光学显微镜使用一个尖端开小孔11的镀有金属膜的光纤探针10，并且开的小孔11的直径远小于光波长，通过这个小孔11米集样品13表面的近场光学信号并通过光纤传导到外部的光电探测器。参见图1B，散射式近场光学显微镜采用一个金属针尖12，利用金属表面等离激元震荡、尖端放电的“避雷针”效应以及金属针尖12和偶极震荡天线效应等效应将电磁场局域在金属针尖12周围包括样品13，形成增强的近场光学信号，再通过显微物镜等光学系统收集这些信号并传到到光电探测器。最后，光电探测器将针尖逐点采集到的光信号转换成电信号通过计算机采集和记录。
[0005]而在实际应用中，上述工作方式的局限性在于光电探测器总是在距离针尖比较远的地方，都需要复杂的光学机构将针尖收集到的光信号传导到光电探测器。对于有孔探针的方式，针尖后面总是连接一条比较长的光纤，从针尖一直连接到光电探测器前的光纤耦合机构来传到光信号；对于散射式的方式，也需要一套可以多个维度精密调节的光学系统将显微物镜的焦点长时间稳定而精确对准针尖所在的位置，已采集针尖增强的近场光学信号并传到到远处的光电探测器。这都大大增加了操作的负责程度。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于近场光学显微镜的探针及其制备方法，其能够简化近场光学显微镜结构和操作复杂度，大大拓宽其使用范围，从而方便探针在各种环境中的传递和更换。
[0007]为了解决上述问题，本发明提供了一种用于近场光学显微镜的探针，包括悬臂梁基底、设置在所述悬臂梁基底上的半导体针尖，设置在半导体针尖上的两个金属电极，所述两个金属电极相对设置，所述半导体针尖与两个金属电极形成用于将光信号转换为电信号的金属-半导体-金属光电探测器，其中一个金属电极用于与一外部直流偏压加载装置连接，另一金属电极用于收集光电流并将光电流传输给近场光学显微镜的控制器。
[0008]进一步，所述半导体针尖的材料为II1-族氮化物。
[0009]进一步，所述II1-族氮化物包括氮化镓、氮化铝、氮化铟及其合金。
[0010]一种上述的用于近场光学显微镜的探针的制备方法，包括如下步骤:提供一悬臂梁基底；在所述悬臂梁基底上形成半导体针尖；在所述半导体针尖上形成两个相对设置的金属电极；所述半导体针尖与两个金属电极形成用于将光信号转换为电信号的金属-半导体_金属光电探测器。
[0011]进一步，所述在所述悬臂梁基底上形成半导体针尖的步骤还包括如下步骤:在所述悬臂梁基底上依次生长半导体层、二氧化硅层及金属层；在所述金属层表面相对于悬臂梁基底上制作半导体针尖的位置涂有光刻胶进行保护；依次去除没有光刻胶保护的金属层及二氧化硅层，使得在所述半导体层上形成一凸起，所述凸起的组成自半导体层依次为二氧化硅层、金属层及光刻胶；依次去除所述凸起上的光刻胶及金属层，形成仅包含二氧化硅层的凸起；刻蚀所述半导体层及二氧化硅层，至二氧化硅层消失，形成一半导体针尖，在所述半导体针尖所在位置之外暴露出悬臂梁基底。
[0012]进一步，所述在所述半导体针尖上形成两个相对设置的金属电极的步骤还包括如下步骤:在所述半导体针尖表面沉积一金属薄膜；将所述金属薄膜刻蚀为两个相对设置的电极，所述半导体针尖与两个金属电极形成金属-半导体-金属光电探测器，所述金属-半导体-金属光电探测器用于将光信号转换为电信号。
[0013]进一步，在所述悬臂梁基底上生长半导体层后，生长二氧化硅层之前，在所述半导体层上继续生长一与所述半导体层材料不同的另一半导体层。
[0014]进一步,所述半导体针尖的材料为II1-族氮化物。
[0015]一种用于近场光学显微镜的探针，包括悬臂梁基底，形成于所述悬臂梁基底上的半导体针尖，以及形成于所述半导体针尖上的两个金属电极。
[0016]本发明的优点在于，由半导体针尖本身将近场光学信号转换成电信号输出，从而在近场光学测量中避免了使用复杂的光学耦合系统将探针针尖采集到的光信号传导到远处的光电探测器，简化了近场光学显微镜结构和操作复杂度，大大拓宽了其使用范围，从而方便探针在各种环境(包括超高真空环境)中的传递和更换，并且不需要在实验中耗费大量人力调节光学系统使其稳定地对准探针尖端。
【附图说明】
[0017]图1A及图1B所示为现有技术中近场光学显微镜的探针示意图；
图2A所示为本发明用于近场光学显微镜的探针的侧面示意图；
图2B所示为本发明用于近场光学显微镜的探针的俯视图；
图3所示为用于近场光学显微镜的探针的制备方法的步骤示意图；
图4A?图4H及5A?图5H所示为本发明用于近场光学显微镜的探针的制备流程图，其中，图4A?图4H为侧视图，图5A?图5H为俯视图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明提供的用于近场光学显微镜的探针及其制备方法的【具体实施方式】做详细说明。
[0019]图2A所示为本发明用于近场光学显微镜的探针的侧面示意图，图2B所示为本发明用于近场光学显微镜的探针的俯视图。参见图2A及图2B所示，本发明用于近场光学显微镜的探针包括悬臂梁基底20、设置在所述悬臂梁基底20上的半导体针尖21、设置在半导体针尖21上的两个金属电极22。
[0020]所述悬臂梁基底20可以采用单晶硅制备。所述半导体针尖21可以采用II1-族氮化物材料制备，例如，氮化镓、氮化铝、氮化铟及其合金。依其不同的组分，其禁带宽度可以覆盖从红外、可见光一直到紫外波段范围，并且全部为直接带隙半导体，具有优良的光电转换特性；并且具有高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力，可以应用于各种使用环境。所述金属电极22可以采用金属制备，例如，铝。
[0021]所述两个金属电极22相对设置,所述半导体针尖21与两个金属电极22形成用于将光信号转换为电信号的金属-半导体-金属光电探测器(MSM光电探测器)，其中一个金属电极22与一外部直流偏压加载装置连接,另一金属电极22收集光电流并将光电流传输给近场光学显微镜的控制器。进一步，在半导体针尖21的针尖尖端这一对金属电极22间具有一距离，所述距离可以为50?100 nm。
[0022]金属-半导体-金属光电探测器(MSM光电探测器)利用金属半导体接触界面附近肖脱基势垒造成的内建电场使光生电子空穴对分离，并扩散到两个金属电极中，形成光电流。它只需要在半导体同一侧制备出两组电极，并且两个电极可以使用同一材质的金属，不要制备欧姆接触的电极、不需要对半导体进行掺杂，加工制备简单。同时，金属-半导体-金属光电探测器(MSM光电探测器)具有响应速度极快、暗电流低等优势。这些优良特性是本发明为突破传统近场光学显微镜局限的物理基础。
[0023]本发明用于近场光学显微镜的探针使用如同普通原子力显微镜一样。将本发明的探针安装于原子力显微镜扫描头部，在原子力显微镜控制器的控制下使半导体针尖21与样品表面接触，并将半导体针尖21移至样品表面待测位置，通过半导体针尖21尖端与样品间力的相互作用来维持半导体针尖21与样品间距离的恒定。
[0024]探测与控制样品与半导体针尖21之间的相互作用力是原子力显微镜基本功能之一，通常说来，在控制样品与半导体针尖21之间的作用力不变，即意味着二者间的距离不变。同时，半导体针尖21和两个金属电极共同组成了金属-半导体-金属光电探测器(MSM光电探测器)，在其中一个金属电极22上加载直流偏压(金属-半导体-金属光电探测器必须在有偏置电压情况下工作)，当半导体针尖21尖端附近有光信号的时候，会在金属电极22中产生光电流，另一个金属电极22收集到的光电流经过电流前置放大器放大后送入近场光学显微镜控制器，并最终被控制计算机采集和记录，并通过控制半导体针尖21在样品表面逐点扫描而形成近场光学像。
[0025]本发明还提供一种上述用于近场光学显微镜的探针的制备方法，图3 A所示为用于近场光学显微镜的探针的制备方法的步骤示意图。参见图3，所述方法包括如下步骤:步骤S30、提供一悬臂梁基底；步骤S31、在所述悬臂梁基底上形成半导体针尖；步骤S32、在所述半导体针尖上形成两个相对设置的金属电极；所述半导体针尖与两个金属电极形成金属-半导体-金属光电探测器，所述金属-半导体-金属光电探测器用于将光信号转换为电信号。
[0026]所述步骤S31在所述悬臂梁基底上形成半导体针尖步骤进一步还包括如下步骤:参见图3B，步骤S310、在所述悬臂梁基底上依次生长半导体层、二氧化硅层及金属层；步骤S311、在所述金属层表面相对于悬臂梁基底上制作半导体针尖的位置涂有光刻胶进行保护；步骤S312、依次去除没有光刻胶保护的金属层及二氧化硅层，使得在所述半导体层上形成一凸起，所述凸起的组成自半导体层依次为二氧化硅层、金属层及光刻胶；步骤S313、依次去除所述凸起上的光刻胶及金属层，形成仅包含二氧化硅层的凸起；步骤S314、刻蚀所述半导体层及二氧化硅层，至二氧化硅层消失，形成一半导体针尖。
[0027]所述步骤S32在所述半导体针尖上形成两个相对设置的金属电极的步骤进一步还包括如下步骤:参见图3C，步骤S320、在所述半导体针尖表面沉积一金属薄膜；步骤S321、将所述金属薄膜刻蚀为两个相对设置的电极，所述半导体针尖与