樣品表面銀膜的粗糙度對鈦酸鋇微球成像性能的影響?

王建國 楊松林 葉永紅

(南京師范大學物理系,南京 210023)(2018年4月26日收到;2018年7月5日收到修改稿)

研究了樣品表面鍍有不同表面粗糙度的銀膜對鈦酸鋇(BaTiO3glass,BTG)微球成像效果的影響,發(fā)現(xiàn)當銀膜表面的粗糙度(RMS)從3.23 nm增大到6.80 nm時,用直徑為15μm的BTG微球觀察直徑為250和580 nm的微球陣列,樣品的成像范圍增大.另外,BTG微球還可以清晰分辨原本不可分辨的直徑為200 nm的微球陣列.結(jié)果表明,粗糙銀膜引起的散射作用和表面等離激元波的局域場增強效應,使得更多物體的高頻信息耦合進微球,提高了微球成像的分辨率和成像范圍.

1 引 言

光學顯微鏡是人類科學史上的一項巨大成就,被廣泛應用于生物、物理和化學等領(lǐng)域.然而,由于倏逝波在垂直界面方向復振幅呈指數(shù)衰減,從而無法在遠場探測參與成像,使得傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率僅能達到λ/2左右[1].2011年,Wang等[2]發(fā)現(xiàn)了微球的近場聚焦和放大特性,通過顯微鏡觀察微球?qū)ξ矬w所成的放大的像,在白光照明下,實現(xiàn)了超分辨成像.這一成果發(fā)表后,這種微球輔助顯微鏡成像引起了廣泛關(guān)注[3?17].Darafshen等[18,19]使用被液體全浸沒的高折射率的鈦酸鋇(BaTiO3glass,BTG)微球?qū)崿F(xiàn)了超分辨成像.此后,Allen等[20]提出用固態(tài)聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)取代液體作為浸沒介質(zhì).微球在整個成像系統(tǒng)中作為連接近場中的倏逝波與遠場中的傳播波的紐帶,由于電場的切向分量在邊界處連續(xù),因而攜帶物體精細結(jié)構(gòu)部分的倏逝波能夠通過微球邊界耦合進微球,形成傳播波進而進行遠場成像.因此,一種提高微球成像分辨率的思路是將更多近場攜帶物體精細結(jié)構(gòu)信息的倏逝波耦合進微球,進而能夠提高微球的遠場成像效果.Hao等[21]用酒精半浸沒低折射率的SiO2微球,使得更多光耦合進微球,增強了微球所成虛像的對比度.Lin和Tsai[22]將離散的納米銀顆粒作為散射源,將更多帶有物體細節(jié)信息的倏逝波轉(zhuǎn)化為傳播波,從而提高了微球的成像分辨率.在利用微球成像時,有時需要通過在樣品表面鍍銀以增強樣品表面的反射,不同粗糙度的銀膜有著不同的光學特性,但銀膜表面粗糙度對微球成像的影響鮮有研究.本文研究了樣品表面鍍有兩種不同表面粗糙度(RMS)的銀膜對直徑為15μm的BTG微球成像效果的影響.研究發(fā)現(xiàn),當銀膜的表面粗糙度RMS從3.23 nm增大到6.80 nm時,用BTG微球觀察直徑為250,580 nm的SiO2微球陣列樣品,樣品的像面范圍明顯增大,并且可以分辨原本不能分辨的直徑為200 nm的微球陣列.我們認為,在一定范圍內(nèi),銀膜表面越粗糙,各個方向散射的光增強,大角度散射光可以將物體高頻信息耦合進光學系統(tǒng),加上表面等離激元波的局域場增強效應能夠?qū)⒏辔矬w高頻信息耦合進微球,從而提高了微球成像的像面范圍和分辨率.

2 實 驗

如圖1所示,圖1(a)為實驗裝置的示意圖,利用顯微鏡(Leica DM2500 M)觀察BTG微球?qū)iO2微球陣列的成像.在實驗中使用了三種不同直徑(580,250和200 nm)的SiO2微球,通過自組裝的方法對微球進行排列[23],形成密排列的SiO2微球陣列,進而作為觀察的樣品.然后,用熱蒸發(fā)的方法,在微球陣列上沉積30 nm厚的銀膜,采取了兩種沉積速率制備銀膜,沉積速率分別為1.5—3 ?/s和5—10 ?/s.最后,在鍍有銀膜的SiO2微球陣列上滴加BTG微球,并旋覆PDMS,從而達到PDMS全浸沒BTG微球的效果.當樣品表面被PDMS層覆蓋時,顯微鏡的瑞利分辨率極限為261 nm(r=0.61λ/NA,λ=540 nm,NA=nsinθ,n=1.4是PDMS的折射率,sinθ=0.9).因此,大尺寸物體(直徑為580 nm的微球陣列)遠遠超過顯微鏡的分辨極限,而小尺寸物體(直徑為250和200 nm的微球陣列)接近或低于顯微鏡的分辨極限.圖1(b)為掃描電子顯微鏡(TEOL YSM-5610LV,SEM)觀察到的直徑為250 nm的SiO2微球陣列的圖像,可以看出SiO2微球為六角密排列.

圖1 (a)實驗裝置圖;(b)直徑為250 nm的SiO2微球陣列SEM圖;(c)不同表面粗糙度銀膜的原子力顯微鏡圖像Fig.1.(a)Schematic of the experimental setup;(b)SEM image of a 250-nm-diameter SiO2microsphere array;(c)AFM images of silver layers with different roughnesses.

此外,為了具體表征銀膜的表面粗糙度,利用原子力顯微鏡(Bioscope,AFM)分別對以上兩個以不同蒸發(fā)速率沉積的銀膜表面進行了測量,結(jié)果如圖1(c)所示.結(jié)果顯示以1.5—3 ?/s蒸發(fā)速率沉積的銀膜表面的粗糙度RMS為3.23 nm,以5—10 ?/s蒸發(fā)速率沉積的銀膜表面的粗糙度RMS為6.80 nm,表明蒸發(fā)速率較低制備的銀膜表面更光滑.

3 實驗結(jié)果與討論

為具體研究樣品表面鍍有的不同粗糙度的銀膜對BTG微球成像的影響,先研究了直徑為15μm的BTG微球?qū)χ睆綖?50 nm六角密排列的SiO2微球陣列樣品的成像結(jié)果.圖2(a)和圖2(b)分別為樣品表面鍍有RMS=3.23,6.80 nm的銀膜時,通過BTG微球觀察到的樣品的像.圖片右上角Z為BTG微球的像面與微球透鏡中心之間的距離,Z=0時表示像面與微球中心重合.隨著Z值的增大,BTG微球中觀察到的SiO2微球陣列樣品會從模糊到清晰,再到模糊.此時,定義BTG微球?qū)悠非逦上駮r,Z值的取值區(qū)間為像面范圍.從圖2(a)可見,從Z=10μm時BTG微球開始對樣品清晰成像,至Z=16μm這個范圍BTG微球都能對樣品清晰成像,像面范圍為6μm;從圖2(b)可見,通過BTG微球觀察樣品所成的虛像,從Z=9μm至Z=19μm均可看到物體的清晰圖像,像面范圍為10μm.通過對比發(fā)現(xiàn),樣品表面鍍有粗糙度RMS=6.80 nm的銀膜時,BTG微球的成像像面范圍擴大,圖像清晰度也略有提升.此外,還分別對直徑為15μm的BTG微球在不同成像位置樣品的放大率進行了計算和統(tǒng)計,如圖2(c)所示.圖2(c)中黑色和紅色曲線分別為銀膜表面粗糙度RMS為6.80 nm和3.23 nm時,BTG微球的成像放大率.從圖2(c)可以看出,對于銀膜的粗糙度RMS=6.80 nm的樣品,當像面與微球中心之間的距離從9μm增大到19μm時,BTG微球的成像放大率從4.2×變化到5.1×,而對于銀膜的粗糙度RMS=3.23 nm的樣品,BTG微球的成像放大率僅從4.0×變化到4.4×.

圖2 直徑為250 nm的微球陣列樣品表面鍍有不同粗糙度的銀膜時,直徑為15μm的BTG微球的成像結(jié)果 (a)RMS=3.23 nm;(b)RMS=6.80 nm;(c)BTG微球在不同像面位置的成像放大率;圖中標尺為5μmFig.2.Optical images of a 250-nm-diameter SiO2microsphere array observed through the BTG microsphere.The diameter of the BTG microsphere is 15μm.The samples are coated by Ag film with different roughnesses:(a)RMS=3.23 nm;(b)RMS=6.80 nm.(c)The magnification as a function of the focal image position.The scale bar is 5μm.

為了進一步探索樣品表面鍍有不同表面粗糙度的銀膜對其他尺寸BTG微球成像效果的影響,還分別對直徑為8—25μm的BTG微球的像面范圍進行了統(tǒng)計.結(jié)果如圖3所示,樣品表面鍍有不同表面粗糙度的銀膜時,BTG微球的像面范圍會發(fā)生改變,樣品表面鍍有粗糙度RMS=6.80 nm的銀膜時,成像范圍增大.

圖3 樣品表面鍍有粗糙度RMS=3.23,6.80 nm的銀膜時,不同直徑大小的BTG微球的像面范圍統(tǒng)計圖Fig.3.Range of focal image position as a function of the diameter of BTG spheres for samples coated with a Ag layer with different roughnesses(RMS=3.23,6.80 nm).

我們分別對樣品表面鍍有以上兩種表面粗糙度的銀膜時,直徑為15μm BTG微球?qū)χ睆綖?00和580 nm的微球陣列的成像結(jié)果進行了研究.圖4是通過全浸沒在PDMS的BTG微球觀察直徑為200 nm微球陣列的成像結(jié)果.如圖4(a)所示,樣品表面鍍有粗糙度RMS=3.23 nm的銀膜時,BTG微球不可清晰分辨直徑為200 nm的微球陣列.而如圖4(b)所示,樣品表面鍍有粗糙度RMS=6.80 nm的銀膜時,BTG微球透鏡可清晰分辨直徑為200 nm的微球陣列,且像面范圍為4μm.此外,使用直徑為9μm的BTG微球觀察直徑為200 nm的微球陣列,如圖4(c)所示,發(fā)現(xiàn)微球陣列仍可清晰分辨,且像面范圍為2μm.還以14—17 ?/s的沉積速率在直徑200 nm的微球陣列表面沉積30 nm厚的銀層,然后用直徑為15μm的BTG微球?qū)ξ⑶蜿嚵羞M行觀察,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不可分辨直徑為200 nm的微球陣列,說明在成像時,若銀層表面粗糙度過大,反而不利于微球成像.圖5(a)和圖5(b)分別是樣品表面銀膜粗糙度RMS為3.23和6.80 nm時,BTG微球?qū)χ睆綖?80 nm微球陣列的成像情況.從圖5(a)可見,當陣列表面鍍有粗糙度RMS=3.23 nm的銀膜時,像面范圍為10μm;如圖5(b)所示,樣品表面鍍有粗糙度RMS=6.80 nm的銀膜時,像面與微球中心之間的距離從8μm增大到20μm,通過BTG微球均觀察到清晰的樣品圖像,像面范圍為12μm,像面范圍也略有增大.以上實驗結(jié)果說明,當用BTG微球觀察樣品時,樣品表面不同表面粗糙度的銀膜確實會影響B(tài)TG微球的成像分辨率和像面范圍.

圖4 直徑為200 nm的微球陣列樣品表面鍍有不同粗糙度的銀膜時,BTG微球的成像結(jié)果,其中銀膜的表面粗糙度為(a)3.23 nm,(b),(c)6.80 nm;BTG微球直徑為(a),(b)15μm,(c)9μm;圖中標尺為5μmFig.4.Optical images of a 200-nm-diameter SiO2microsphere array observed through the BTG microsphere.The diameter of BTG microspheres is(a),(b)15μm,(c)9 μm.The samples are coated with a Ag layer with different roughnesses:(a)RMS=3.23 nm;(b),(c)RMS=6.80 nm.The scale bar is 5μm.

圖5 直徑為580 nm的微球陣列樣品表面鍍有不同粗糙度的銀膜時,BTG微球的成像結(jié)果,其中銀膜的表面粗糙度為(a)3.23 nm,(b)6.80 nm;BTG微球直徑為15μm;圖中標尺為5μmFig.5.Optical images of a 580-nm-diameter SiO2microsphere array observed through a 15-μm-diameter BTG microsphere.The samples are coated with a Ag layer with different roughnesses:(a)RMS=3.23 nm;(b)RMS=6.80 nm.The scale bar is 5μm.

將BTG微球置于樣品表面時,微球能夠收集近場中帶有物體精細結(jié)構(gòu)信息的電場能量參與成像.Wang等[2]在實驗中證明,在樣品表面鍍有金膜后,通過激發(fā)表面等離激元,不僅能夠增強微球的成像分辨率,而且能夠提高微球的成像放大率.而在樣品表面銀膜同樣可以激發(fā)表面等離激元波,表面等離激元波的局域場增強效應可以增強倏逝波的強度,并且粗糙表面局域場增強效應更強[24],銀與金同樣可以產(chǎn)生表面等離子體波,可能會產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象[25].利用COMSOL軟件對表面鍍有銀膜的微球陣列表面的電場分布進行了模擬,圖6(a)和圖6(b)是微球陣列表面分別鍍有光滑銀層與粗糙銀層時的電場強度分布.如圖6(a)所示,微球陣列表面鍍有光滑銀層時,電場僅在相鄰微球間隙處產(chǎn)生增強.而當微球表面鍍有粗糙表面的銀層時,如圖6(b)所示,電場不僅僅在相鄰微球間隙處產(chǎn)生增強,在粗糙銀顆粒處也產(chǎn)生了明顯的電場增強現(xiàn)象,說明粗糙銀層表面更有利于產(chǎn)生局域電場增強現(xiàn)象.所以認為表面等離激元波的局域場增強效應也是BTG微球成像分辨率提高以及像面范圍增大的原因之一.此外,當光照射在粗糙程度較大的銀膜表面時,沿各個方向散射的光增強,并且大角度散射光可以將物體高頻信息耦合進光學系統(tǒng),會將更多帶有物體高頻信息的電場能量能夠耦合進BTG微球,并傳播到遠場參與成像.所以,我們認為這也是BTG微球成像分辨率提高以及像面范圍增大的原因之一.

圖6 微球陣列表面分別鍍有(a)光滑銀層與(b)粗糙銀層時的電場強度分布,其中微球d=250 nm,銀層厚度為30 nm,入射光中心波長為540 nmFig.6. Electric field intensity distribution of(a)a smooth silver layer and(b)a rough silver layer,coated on the surface of the microsphere array.The diameter of the microsphere is 250 nm,and the silver layer thickness is 30 nm.The center wavelength of the incident light is 540 nm.

4 結(jié) 論

本文研究了鍍在樣品表面銀膜的粗糙度對BTG微球成像特性的影響,發(fā)現(xiàn)相比較于表面粗糙度RMS=3.23 nm的銀膜,RMS=6.80 nm的銀膜更有利于BTG微球進行成像.當樣品表面的銀膜粗糙度RMS=6.80 nm時,對于直徑為250和580 nm的微球陣列,BTG微球的像面范圍擴大;并且可以觀察到原本不能分辨的直徑為200 nm的微球陣列.我們認為這是由于粗糙銀膜引起的散射作用和表面等離激元波的局域場增強效應,使更多物體的高頻分量進入微球參與成像,從而提高BTG微球透鏡的成像分辨率并增大成像范圍.這種通過改變樣品表面銀膜的粗糙度,提高BTG微球透鏡的成像分辨率和成像范圍的方法,為提高微球的成像質(zhì)量提供了另一種思路.