近场光学显微应用
远场光学与绕射极限 台大(高宗圣,蔡定平)
一八七三年，德国物理学家阿贝（Ernst Abbe）认为观察者与被观察者在远场光学的范围中（即远大于一个量测波长的距离时），无法避免由于光的波动性质所造成的干涉与绕射效应。所以在传统光学显微镜中，仅能获得约二分之一个量测波长的空间解析度，这称为光学绕射极限。之后，英国的瑞赖（Lord Rayleigh）针对这一点写下了所谓的 Rayleigh 准则：两物体的距离必须大于或等于（1.22λ 2n sinθ）才能清楚地分辨出来，其中λ是所使用的光波长，n是所在的光学介质折射系数，θ是用来收集或聚光至传感器所用的物镜光孔穴的半角。因此在远场光学的环境中，欲获得高空间分辨率，可利用（1）缩短使用光波的波长，如使用紫外光、X光乃至电子束等短波长的电磁波；（2）高折射系数介质，如油镜或浸渍技术；（3）光 孔 穴 半 角 大 的 物镜，如大口径与高曲光源度的物镜。其中，为增加空间分辨率而提高数值孔径（numerical aperture，N.A.＝n sinθ）的方式，虽然较为简便，但效果有限。只有缩短光波波长的方式，效果最为显著且较为普遍，如电子显微镜，利用短波长的物质波可以得到奈米（nm ）级的分辨率。但这种方式必须在高真空的环光孔穴一个波长待测物境中，且非金属的样品（如生物样品）须先镀上一层导电层，才可达到该有的分辨率。而且在电子显微镜中，磁镜的像差、高能量电子束造成的电荷累积、以及对真空程度的需求，也会对样品产生影响，甚至破坏样品本质。此外，上述的几种方式其实都还是受光学绕射极限的限制。因此，如何突破绕射极限以及不破坏样品本质，又可提供迅速且具高解析能力的量测方式，是光学显微术研究人员努力的目标。
这是辛格（E. H. Synge）等人所提出的近场光学显微术的概念图。孔穴直径与其到待测物表面的距离都远小于一个波长，近场光学讯号因为这一光孔穴的存在而产生，于是记录样品表面上每一点的近场光学讯号强度，并把它做成二维平面排列后，便可得到近场光学显微影像。近场光学的发展
英国的辛格（E. H. Synge）及美国的欧基夫（O’Keefe）分别在一九二八年及一九五六年提出在近场光学中（即远小于一个量测波长的距离）进行光学量测，可避免因大于一个波长的距离之后，光波动性质的呈现与干扰，便可获得超越绕射极限的空间分辨率。但受限于当时的工程与技艺，无法证实这一概念。直到一九七二年亚许（E. A. Ash）与尼可斯（G. Nichols）才以波长是三公分的微波，证实的确可在近场范围中达到1 60波长的空间分辨率。但他们希望以可见光波长来进行近场显微观测的计划，却依旧受限于无法有效地控制约百分之一波长的近场光学距离及制作奈米尺度光孔穴的技术，而未能在当时实现。一九八六年，宾尼（G. Binnig）及罗勒（H. Rohrer）因为在一九八二年制作出第一台电子扫描穿隧显微仪scanning tunnelling microscope，STM）的重大贡献，而获得当年度诺贝尔物理奖。当时同在瑞士 IBM 研究中心的普尔（D. W. Pohl）立即了解到，可利用STM 的技术解决近场光学显微仪的技术问题。于是在一九八二年到一九八八年之间，费雪（Fisher）等人在德国哥廷根的马克士普郎克研究中心、普尔等人在瑞士 IBM研究中心以及刘易斯（Lewis）等人在美国康乃尔大学，分别以 STM 的探针控制技术进行近场光学显微仪的制作。
传统的光储存技术在记录密度愈来愈高时，也都会面临讯号写入或读出的问题，如「光学绕射极限的限制。目前一般的光学储存媒体，如CD及DVD，是把光源经由透镜聚焦于记录层上以进行光学读或写的作用，算是一种远场光学的储存技术，其可辨识出的记录点的大小，会受到绕射极限的限制，而近场光学的记录方式则是在远小于所使用的工作波长的距离内来做记录，因为光的波动性质还未呈现出来，故近场光学记录是不受绕射极限限制的一种新的光学记录方法。近几年来的一些近场光学记录研发，主要是超解析结构近场光盘片，这种技术可以用一般光驱的读写头，在记录层上写入或读出一个小于光学绕射极限尺寸的记录点，公认是超高密度奈米光学信息储存技术的一大突破。上图显示了典型的超解析近场光盘片的结构。其中较佳的结果是以微细玻璃管做成的探针，外镀一层铝膜以形成奈再在样品表面上约数个奈米的固定高度以压电陶瓷来精确控制及扫动这近场光学探针，可说是近场光学显微仪的初步雏形。在这期间，空间分辨率由100奈米到20奈米的结果都有，但在稳定性及重复性上都不佳。所以如何制作更好的近场光学探针，来提高分辨率以及有效地控制近场光学探针的高度，以避免微细玻璃探针与样品的 受 损 是 当 时 努 力 的 目标。近场光学显微术
随着一九八六年宾尼等人在美国史丹佛大学发明的原子力显微仪（atomic force microscope，AFM）的发展，各种利用 AFM技术以控制各式不同探针的方法，迅速地在一九八八年后发展成各类的扫针显微术 （scanning probemicroscopy，SPM）。
近场光学显微术的空间分辨率大约是50奈米至20奈米，接近于电子显微镜的高解析度，但也兼具传统光学显微镜的优点。
一 九 九 二 年 美 国AT&T 实验室的 Eric Betzig及 罗 彻 斯 特 理 工 学 院（Rochester Institute of Technology）的傅耶兹－伊拉凡尼（Mehdi Vaez-Iravani），分别提出以剪力显微镜 （shear force microscope，SFM） 的技术作为近场光学显微仪光学探针的高度回馈控制，并证实可获得极稳定及重复性颇佳的近场光学影像。其显著的优点在于可同时获得样品表面的近场光学影像，与由原子力显微仪所产生的表面形貌（topography）影像。两者由独立的检测方式同时测得，如此可提供极有效的对照及研究参考。
从一九九二年起，近场光学显微术开始在应用上展露其特点。近场光学显微术的空间解析度大约是50奈米至 20奈米，接近于电子显微镜的高分辨率，但也兼具传统光学显微镜的优点，属于非破坏性方法，可量测到真实表面空间，样品不需繁复制备手续，也不需在真空环境中进行检验，而可在空气中、水中或各种溶液中进行观测。同时也有其它光学讯息的优点，包括可利用光波的偏振性、相位、波长及荧光性等来作为光学显微影像的对比，加上可对样品进行反射、透射及各种光谱学讯息的分析及量测，尤其是所获得的讯息是极为区域性的光学讯息，理论上能提供样品表面小至分子尺寸的影像光谱讯息。
近场光学的应用
近场光学显微术 （near-field scanning optical microscopy，NSOM） 的光学空间分辨率，主要取决于光纤探针末端光学孔穴的大小，因而只要控制好探针上光学孔穴的大小，就可以获得分辨率是奈米级的三维空间影像，很接近电子显微镜的分辨率。对于高质量的数字影音多媒体及信息储存容量的需求迅速增加，具高储存密度的光盘存取系统日益重要，而记录点尺寸的缩小成为达成高密度储存的必要条件。由以往商业化 CD光盘片，到现行市场主流的数字影音 DVD 光盘片，存取数字信号的记录点直径由八百奈米缩小到四百奈米，在蓝光光盘片中，记录点直径更缩小至大约二百奈米！然而记录密度的提升，却因利用传统光学原理的存取机制，而受到光学绕射极限的限制，故只能藉由缩短光源波长及提高光盘读写头数值孔径等方法来求取有限的成长。
相较之下，近场光学显微术因可突破绕射极限而获取超高分辨率，所以可应用在高密度光资讯存取上。即利用近场光学显微仪，使光纤探针尖端与样品间保持约一到十奈米的距离，再以不同的波长及功率的雷射光，经光纤探针送至记录层的表面，使光与之作用，再观察其几何形貌或近场光学影像上的变化。但 利 用 光 纤 探 针 来 收光、送光的方式，有一些困难，如需要精密地控制光纤探针在记录层表面上大约几个奈米的高度、光纤探针易因外力而损坏等等，都使得超高密度近场光学存取技术的实现，面临很大的挑战。
一九九八年七月底，在美国圣地亚哥 SPIE的年会上，由日本通产省工业技术研究院的富永淳二（J. Tominaga） 研究群提出，可由一层奈米级的光学薄膜的材料特性及厚度，有效地控制写入记录点的大小，以及用近场光学的原理来分辨对小于绕射极限间距的记录点传递的讯息，以达超高密度近场光学记录的效果。
近场超解析结构 （super-resolution near-field structure，Super-RENS） 的记录方法，澈底简化了近场记录所需的设备，使得近场光纤探针所
遇到的困难一一排除，甚至只用目前商用DVD光驱的设备便可以有近场记录的效果。近场超解析结构（Super-RENS）发展出来之后，不仅是近场光学及光学信息储存的一大突破，也是其它应用奈米科学和技术的一大突破。对光学记录而言，可以发展越来越小的光盘片，而记录密度却是现在DVD容量的好几倍，随之而来的便是播放机的缩小、读取速度的增进、不需再携带现今使用12 公分直径大的光盘片等，信息储存工业将再向前推进一个新的世代。
放眼「小」世界,展望新未来
扫描探针显微术 扫描穿隧显微仪的主要物理原理是利用量子力学中的电子穿隧效应，当一个金属探针被带到导电样品表面1-nm左右的距离范围内，电子可由样品或针尖（端视加在针尖及样品两极间的电压V的相对极性）穿过真空位障抵达相对的电极。由于穿隧的机率和两极间的间距成指数反比的敏感关系，所以藉侦测穿隧电流的大小并以回馈系统控制两极的间距，可以维持两极的距离固定在0.1 （1 = 0.1 nm）的精度内。因此，借着扫描金属探针在可导电样品（例如金属、半导体等） 的表面，我们可以获知样品的表面形貌。更由于穿隧电流主要发生在针尖上最突出的一颗原子上，扫描穿隧显微仪可具有原子级的横向解析力。其早期发展的最惊人功能即是证实人类可以获得实际空间的原子影像，其中最具代表性的工作是宾尼（G. Binnig）及罗勒（H. Rohrer）等人在早期以扫描穿隧显微仪获得硅面上 7 × 7 重构的原子像，第一次让人们看到这个著名重构表面的真实面目，从此奠定了扫描穿隧显微仪在决定固体表面原子结构上的重要地位。随着其技术的发展，科学家很快地发现，它除了可用来提供表面原子的排列讯息外，也能用来观察动态现象：如原分子扩散、吸附及表面磊晶成长等。
近场光学显微术的发展，得到了许多前所未能测得的光学讯号及应用物理上的新发展，如单一染料分子的荧光近场显微光学影像，单一分子及单一蛋白质的近场光化学及其超快光学动态量测，近场区域性（100奈米）拉曼光谱在钻石表面上的量测，以及近场超解析结构对超高密度储存记录的发展等等。预期此一新技术会被大量且迅速地应用在生物、医学、半导体及高分子材料等的研究上。此外，在奈米技术的领域中，近场光学显微术除了可用以取得极小区域的光学讯号作为光学影像或光谱研究之用以外，也可成为研究样品表面上奈米尺寸的区域中，改变或主导样品表面结构或物理性质的一种新工具。相信在不久的将来，也会成为奈米制造技术中一个重要的部分。
此外，近场超解析结构并不只适用于光学记录上，更可应用于半导体工业的奈米线宽制作上，只需透过近场超解析结构的效应，在光阻上做好刻板模型，不需极高的成本，就可制作出极微小的电子组件。
数位激光视盘片的 发展趋势，为达到储存容量增加的要求，利用记录轨与轨 之 间 的 间 距 缩短、高数值孔径透镜的使用及短波长光源的方法，来达到记录点尺寸的缩小，以在相同面积1.6μm中可以达到更高的储存密度。但无论如何改善以上的方法，都还是受到绕射极限的限制。
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