臺灣博碩士論文加值系統

本實驗以雷射熱熔拉法(heating-pulling)及自製的電弧彎針機台將單模光纖製為具有奈米孔穴的近場光學探針，並就探針特性做詳細分析。我們成功製作了彎曲長度350~850μm，彎曲角度50~90度，尖端直徑70~150nm的彎式光纖探針，將探針黏於基板後可直接用於原子力顯微術(atomic force microscopy, AFM)，其Q值(quality factor)約為100。而以彎曲角度75度的探針測試光柵的結果，其側向解析度約為165nm。光纖探針尖端鍍上金屬膜後，便可使用於近場光學(near-field scanning optical microscopy, NSOM)實驗，量測結果顯示彎式探針的光穿透率約為10-5~10-6 ，我們並在雷射二極體上以接收式近場光學得到初步的近場光學影像。

We present controllable fabrication of bent near-field optical fiber probes by a combination of laser heating-pulling and electric arc bending, and characterization of their properties. Various probes with bent lengths varying from 350~850μm, bent angles varying from 50° to 90°, and tip diameters ranging between 75 to 150 nm are successfully produced. With quality factors of around 100, these probes can be made into cantilevered probes usable for dynamic mode atomic force microscopy. The achieved lateral resolution on a standard grating is around 165 nm with a 75° probe. After coating the probes with a thin layer of Au film, the transmission efficiencies are measured to be around 10-5~10-6, which are appropriate for near-field optics experiments. A preliminary collection mode near-field image on a laser diode has also been obtained.

目錄………………………………………………………………………I
圖目錄 …………………………………………………………………V
表目錄 …………………………………………………………………IX
第一章、 前言……………………………………………………1
第二章、 文獻回顧 ……………………………………3
2-1 近場光學發展史 ………………………………………3
2-2 近場光學原理…………………………………………6
2.2.1 近場光波 …………………………………………………6
2.2.2 消散波 …………………………………………7
2-3近場光學顯微術的優點 ………………………………9
第三章 近場光學顯微術量測簡介……………………11
3-1 奈米孔穴的製作 ………………………………………11
3.1.1化學腐蝕(chemical etching)………………………12
3.1.2熱熔拉(heating-pulling) …………………………13
3-2探針高度控制迴饋 …………………………………17
3.2.1 AFM原理和結構 ……………………………………18
3.2.2側向力顯微術(shear force microscopy, SFM) ……19
3-3近場光學顯微術工作模式……………………………21
第四章 實驗簡介 ………………………………………23
4-1 實驗儀器 ………………………………………………23
4-2 彎式光纖探針製作 ……………………………………24
4.2.1 彎式光纖探針製作原理 ……………………………24
4.2.2 黏針於基板 ………………………………………27
4-3 彎式探針應用於AFM機台實驗流程………………………28
4-4 儀器架設 ………………………………………………29
4.4.1光學量測機制架設 …………………………………29
4.4.2接收式近場光譜分析系統架構 ……………………30
第五章、 結果與討論 …………………………………………31
5-1參數對直式光纖探針的影響 …………………………………31
5.1.1 探針影像…………………………………………………31
5.1.2 光學孔穴…………………………………………………36
5.1.3 探針尖端影像……………………………………………38
5-2 彎式光纖探針 …………………………………………………42
5.2.1 彎式光纖探針理想製作參數……………………………42
5.2.2 彎式光纖探針的彎曲角度與光學解析度間的關係……43
5.2.3 黏針………………………………………………………47
5-3光纖探針形狀與穿透率間的關係 ……………………………51
5.3.1 金屬膜厚對透光率的影響………………………………51
5.3.2 直式光纖探針透光率實驗數據與討論…………………54
5.3.3 彎式光纖探針透光率實驗數據與討論…………………59
5-4 光纖探針應用於實際掃描 …………………………………61
5.4.1 彎式光纖探針掃得之AFM影像 …………………………61
5.4.2接收式近場光學量測雷射二極體 ………………………67
第六章、 結論 ……………………………………………………70
參考文獻 ……………………………………………………………71
圖目錄
圖2-1 Synge提出可超越繞射極限空間解析度的方法 ……4
圖2-2消散波示意圖…………………………………………8
圖3-1 tube etching示意圖…………………………………………13
圖3-2 CO2 laser Heating/Pulling Machine Sutter P-2000……14
圖3-3 Model p-2000工作原理………………………………………14
圖3-4 以熱熔拉法製作出之探針 ……………………………………17
圖3-5 AFM結構示意圖………………………………………………18
圖3-6 shear force microscopy 示意圖……………………………20
圖3-7 NSOM六種主要工作模式 ……………………………21
圖4-1 彎式光纖探針製備機構示意圖 ………………………………24
圖4-2 自製彎針機台實體圖 …………………………………………25
圖4-3 彎針機電極部分近視圖 ………………………………………26
圖4-4 黏針於基板之彎式光纖探針 …………………………………27
圖4-5 實驗流程圖 ……………………………………………………28
圖4-6 光學量測機制架構圖 …………………………………………29
圖4-7 接收式近場光譜分析系統架構圖 ……………………………30
圖5-1-1 直式探針形狀與參數的關係-heat 250……………………31
圖5-1-2 直式探針形狀與參數的關係-heat 270……………………32
圖5-1-3 直式探針形狀與參數的關係-heat 290……………………32
圖5-1-4 直式探針形狀與參數的關係-heat 310……………………33
圖5-1-5 直式探針形狀與參數的關係-heat 330……………………33
圖5-1-6 探針製作參數與漸細段長度關係圖 ………………………36
圖5-1-7 改變del值前探針尖端直徑SEM影像………………………37
圖5-1-8 del值變小後探針尖端直徑SEM影像………………………37
圖5-1-9 p-2000 pull cycle…………………………………………38
圖5-1-10直式光纖探針尖端SEM影像-heat 260……………………39
圖5-1-11直式光纖探針尖端SEM影像-heat 270……………………39
圖5-1-12直式光纖探針尖端SEM影像-heat 280……………………40
圖5-1-13直式光纖探針尖端SEM影像-heat 290……………………40
圖5-1-14直式光纖探針尖端SEM影像-heat 300……………………41
圖5-2-1 彎曲角55度之彎式光纖探針 ……………………………42
圖5-2-2 彎曲角70度之彎式光纖探針 ……………………………42
圖5-2-3 彎曲角90度之彎式光纖探針 ……………………………42
圖5-2-4 彎曲角65度之彎式光纖探針 ……………………………42
圖5-2-5 電弧彎針前探針尖端直徑SEM影像(1)……………………44
圖5-2-6 電弧彎針後探針尖端直徑SEM影像(1)……………………45
圖5-2-7 電弧彎針前探針尖端直徑SEM影像(2)……………………46
圖5-2-8 電弧彎針後探針尖端直徑SEM影像(2)……………………46
圖5-2-9 黏附於基板之彎式探針(1)…………………………………48
圖5-2-10黏附於基板之彎式探針(2) ………………………………48
圖5-2-11探針突出於基板的懸臂樑長………………………………49
圖5-2-12 探針共振頻率圖……………………………………………50
圖5-3-1 膜厚與光穿透率關係(直針) ………………………………53
圖5-3-2探針參數與光穿透率關係圖 ………………………………55
圖5-3-3光纖探針漸細段與針尖影像關係(heat 260)………………56
圖5-3-4光纖探針漸細段與針尖影像關係(heat 270)………………56
圖5-3-5光纖探針漸細段與針尖影像關係(heat 280)………………57
圖5-3-6光纖探針漸細段與針尖影像關係(heat 290)………………57
圖5-3-7光纖探針漸細段與針尖影像關係(heat 300)………………58
圖5-4-1 彎式探針測得之光柵表面形貌……………………………61
圖5-4-2 光柵X軸向橫截面分析(1) ………………………………62
圖5-4-3 光柵Y軸向橫截面分析(1) ………………………………62
圖5-4-4 局部放大光柵量測探針解析度……………………………63
圖5-4-5 品質不佳的彎式探針測得之光柵表面形貌………………64
圖5-4-6 光柵X軸向橫截面分析(2) ………………………………65
圖5-4-7 光柵Y軸向橫截面分析(2) ………………………………66
圖5-4-8 探針掃描示意圖 ……………………………………………67
圖5-4-9 雷射二極體的表面形貌及近場光學影像 …………………68
圖5-4-10 近場光學探針取得之雷射二極體光譜……………………69
表目錄
表2-1 近場光學與其它顯微術的比較 ……………………10
表5-1-1 探針製作參數與漸細段長度關係圖 ………………………35
表5-3-1 未鍍金屬膜探針的光穿透率 ………………………………52
表5-3-2 Au膜厚度與光穿透率量測數據 …………………………53
表5-3-3 光纖探針形狀與透光率實驗數據 …………………………55
表5-3-4 彎式光纖探針彎曲角度對光穿透率的影響 ………………60

參考文獻
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