專利名稱：一種單根一維納米材料光致熒光角度分辨測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一維納米材料的光致熒光，特別涉及一種將一維納米材料光致熒光的光激發(fā)和光接收獨(dú)立分開(kāi)的納米材料光學(xué)性質(zhì)表征技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單根一維納米材料光致熒光(PL)的角度分辨測(cè)量，由此研究改變光激發(fā)入射角度對(duì)單根一維納米材料光致熒光(PL)的影響。本發(fā)明屬于納米材料光學(xué)表征技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米發(fā)光材料是近年來(lái)發(fā)展十分迅速的研究領(lǐng)域之一。由于納米發(fā)光材料具有尺度小、比表面積大的特點(diǎn)，納米發(fā)光材料具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，例如尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、和豐富的表面態(tài)對(duì)材料光電性能的影響等。這些納米材料所特有的性質(zhì)使得納米發(fā)光材料在未來(lái)具有廣闊的應(yīng)用前景。例如納米激光器(nanolaser)、納米發(fā)光二極光(nanoLED)、納米場(chǎng)發(fā)射顯示器(nano FED)等。這些都是電致發(fā)光技術(shù)在光電子器件領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。目前學(xué)術(shù)界主要的研究領(lǐng)域是利用某些納米材料特殊性質(zhì)研制出電致發(fā)光器件。而對(duì)于光在納米材料內(nèi)的傳播以及光和納米材料的相互作用尚缺乏系統(tǒng)研究，尤其是對(duì)某些納米材料的光波導(dǎo)性質(zhì)的物理機(jī)制缺乏深入的研究。光致熒光是一種十分常見(jiàn)且有效的納米材料表征技術(shù)。通常利用顯微熒光-拉曼系統(tǒng)對(duì)單一納米結(jié)構(gòu)的光致熒光進(jìn)行測(cè)量。由于光致發(fā)光和電致發(fā)光的產(chǎn)生機(jī)理相似，而且光致發(fā)光具有對(duì)樣品的損耗小、激發(fā)效率高、測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此，可以利用光致發(fā)光的方法研究光在納米材料中的傳播以及與納米材料的相互作用。
近些年來(lái)隨著一維納米材料制備水平的不斷提高， 一維納米光波導(dǎo)材料逐漸成為納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[D丄Sirbuly， M. Law, H. Yan， and P. Yang， J. Phys. Chem. B. 2005，109, 15190]。這些直徑為納米級(jí)的表面光滑的納米棒可以在亞波長(zhǎng)尺度下對(duì)光進(jìn)行傳導(dǎo)和操縱。但是納米材料的光波導(dǎo)性質(zhì)與傳統(tǒng)宏觀材料的光波導(dǎo)性質(zhì)有所不同。納米材料的特質(zhì)尺度與光波波長(zhǎng)近似，因此光在納米材料中的傳播不遵循在原有體材料內(nèi)的反射、折射定律，而是以電磁波的形式傳播。同時(shí)光與納米材料相互作用，使得光在納米材料內(nèi)部傳播過(guò)程中有能量的得失。因此納米材料光波導(dǎo)性質(zhì)一方面具有體材料光波導(dǎo)傳導(dǎo)光的特點(diǎn)，另一方面又具有由于光與納米材料相互作用而導(dǎo)致的光波長(zhǎng)的改變。由于納米材料光波導(dǎo)具有體材料沒(méi)有的一些性質(zhì)，使得納米材料的光波導(dǎo)性質(zhì)成為納米材料光學(xué)表征領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。此外，納米材料的光波導(dǎo)性質(zhì)也具有廣泛的應(yīng)用前景。與當(dāng)代微電子 器件相類似，納米導(dǎo)線的尺度決定了納電子器件的集成度。目前納米光電子器件也在向著 小型化和集成化方向發(fā)展，因此納米光波導(dǎo)材料的研究就成為納米光電子器件小型化、集 成化的關(guān)鍵。
近些年來(lái)隨著對(duì)研究的逐步深入，研究人員發(fā)現(xiàn)一維納米材料光波導(dǎo)發(fā)光具有各向異 性[R. Agarwal, C. J. Barrelet, and C. M. Lieber, Nano Lett. 2005， 5, 917]。通過(guò)對(duì)納米材料發(fā)光 的各向異性的研究，可以了解光致熒光的產(chǎn)生機(jī)理和光在納米材料中的傳播機(jī)理。而目前 學(xué)術(shù)界對(duì)于光在納米材料中傳播的機(jī)理尚不清楚[W. L. Li， M. Gao, R. Cheng, X.X. Zhang， S.S. Xie, L,M. Peng, Appl. Phys. Lett. 2008, 93， 023117.]，因此對(duì)于一維納米材料光波導(dǎo)發(fā)光 各向異性的研究就顯得十分重要。納米材料光致熒光的角度分辨測(cè)量是研究一維納米材料 光波導(dǎo)發(fā)光各向異性的最有效的手段之一。目前對(duì)于納米材料發(fā)光的角度分辨測(cè)量主要有 以下兩種方法第一種是近場(chǎng)光學(xué)的方法，利用SNOM和掃描電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)角度分辨測(cè) 量另一種是傳統(tǒng)宏觀光致熒光角度分辨測(cè)量系統(tǒng)，它利用光學(xué)方法遠(yuǎn)場(chǎng)收集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn) 角度分辨測(cè)量。
常規(guī)的光學(xué)儀器如凸透鏡等主要用于遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)。相對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)，近場(chǎng)的定義為距離物體 表面僅一個(gè)光波波長(zhǎng)的區(qū)域。近場(chǎng)具有許多與遠(yuǎn)場(chǎng)不同的特性。近場(chǎng)的場(chǎng)分布既包含了可 以向遠(yuǎn)處傳播的傳播場(chǎng)的分量，又包含了局域在物體表面一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的非輻射場(chǎng)的分量。 非輻射場(chǎng)中包含了物體表面精細(xì)結(jié)構(gòu)的信息，其特點(diǎn)是高度依附于物體表面，并隨離開(kāi)表 面的距離呈指數(shù)衰減，因而也被稱為隱失場(chǎng)。近場(chǎng)角度分辨測(cè)量的核心問(wèn)題就是探測(cè)束縛 在物體表面的非輔射場(chǎng)的角度分布。由于非輻射場(chǎng)具有隱失波的特點(diǎn)，唯一的探測(cè)辦法是 利用光學(xué)隧道效應(yīng)，即將一個(gè)微小的探頭引入非輻射場(chǎng)中，從而把局限在物體表面的信息 轉(zhuǎn)換出來(lái)。而對(duì)于一維納米材料的光學(xué)表征，我們主要關(guān)心的是可以向遠(yuǎn)處傳播的傳播場(chǎng) 的角度分辨信息。因此，本發(fā)明基于傳統(tǒng)熒光角度分辨測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)從而 實(shí)現(xiàn)了對(duì)單根一維納米材料光致熒光的角度分辨測(cè)量。
傳統(tǒng)光致熒光角度分辨測(cè)量系統(tǒng)利用凸透鏡匯聚激發(fā)光于樣品表面，利用另一凸透鏡 收集產(chǎn)生的光致熒光，并通過(guò)光纖傳遞至光譜儀中。測(cè)量時(shí)激發(fā)與接收裝置置于圓形軌道 上，樣品置于圓形軌道的圓心。這樣就可以改變激發(fā)裝置的激發(fā)角度和接收裝置的接收角 度，從而實(shí)現(xiàn)宏觀樣品光致熒光的角度分辨測(cè)量。這套裝置的激發(fā)與接收均由凸透鏡實(shí)現(xiàn)， 和顯微物鏡相比，凸透鏡有以下缺點(diǎn)第一是分辨能力較差，只能測(cè)量大量納米材料光致 熒光的平均值，不能實(shí)現(xiàn)單根一維納米材料光致熒光的測(cè)量；第二是激發(fā)光斑直徑較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大功率、微區(qū)光激發(fā)。由于納米材料的性能極大地取決于它們的尺寸、結(jié)構(gòu)和表 面態(tài)，單個(gè)納米材料之間的性能差異較大。測(cè)量大面積或大量的納米材料所得到的表征結(jié) 果只是大量樣品的平均值，單個(gè)納米材料不尋常的特性就不能顯現(xiàn)出來(lái)。例如MarkS. Gudiksen， Jianfang Wang, and Charles M. Lieber發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同直徑的InP納米線，在相同光激 發(fā)條件下產(chǎn)生的光致熒光光譜隨直徑的減小而發(fā)生藍(lán)移。因此，對(duì)原子結(jié)構(gòu)所決定的單一 納米結(jié)構(gòu)的表征測(cè)量是納米科學(xué)的一個(gè)基本方向。探索新的基于單根一維納米材料的表征 技術(shù)是十分必要的。
為了研究單根一維納米材料光致熒光性能，研究人員利用顯微熒光-拉曼系統(tǒng)對(duì)單根一 維納米材料的光致熒光進(jìn)行研究。這是一種利用共焦而實(shí)現(xiàn)的顯微熒光測(cè)量技術(shù)。它具有 分辨率高、激發(fā)功率密度大的優(yōu)點(diǎn)。但是，現(xiàn)有的顯微熒光-拉曼系統(tǒng)由于受到精密光路共 焦要求的限制，激發(fā)和接收使用同一個(gè)顯微物鏡，這種結(jié)構(gòu)無(wú)法將激發(fā)和接收系統(tǒng)分離開(kāi)， 大大限制了顯微熒光-拉曼系統(tǒng)對(duì)一維納米材料的光波導(dǎo)現(xiàn)象的研究。發(fā)明人所在研究組前 期在顯微熒光-拉曼系統(tǒng)下改變ZnO納米棒與顯微鏡物鏡光軸的夾角，發(fā)現(xiàn)納米棒光致熒光 隨角度改變而發(fā)生變化[Wenliang Li， Min Gao, Rui Cheng, Xiaoxian Zhang,lSishen Xie,Lian-Mao Peng， AppliedPhys Letters 93， 023117 2008.]。但由于在改變接收角度的同時(shí) 激發(fā)角度也發(fā)生了變化，而且不能證明激發(fā)角度對(duì)納米棒光致熒光沒(méi)有影響，因此這種方 法也不能系統(tǒng)的研究一維納米材料發(fā)光的各向異性。
綜合以上兩點(diǎn)原因，要實(shí)現(xiàn)具有角度分辨能力的單根一維納米材料光致熒光測(cè)量，就 必須實(shí)現(xiàn)激發(fā)與接收完全分離。同時(shí)還必須克服體材料光致熒光角度分辨測(cè)量時(shí)凸透鏡分 辨率低、激發(fā)功率密度小的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提出一種激發(fā)和接收分離且具有角度 分辨能力的微區(qū)光致熒光角度分辨測(cè)量系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種單根一維納米材料光致熒光角度分辨測(cè)量系統(tǒng)，包括光源，光學(xué)器件一，光學(xué) 器件二，和光分析儀器；來(lái)自所述光源的激發(fā)光經(jīng)過(guò)所述光學(xué)器件一后激發(fā)所述一維納米 材料發(fā)射熒光，所述熒光經(jīng)過(guò)所述光學(xué)器件二后傳遞至所述光分析儀器；其特征在于，所 述光學(xué)器件一和光學(xué)器件二其一為顯微物鏡，另一為會(huì)聚透鏡，或兩者均為顯微物鏡。
優(yōu)選地，所述激發(fā)光激發(fā)所述一維納米材料的激發(fā)點(diǎn)位于所述光學(xué)器件一和所述光學(xué)
5器件二光軸的交點(diǎn)上。
在本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)中， 一維納米材料光致熒光的光激發(fā)和光接收通過(guò)獨(dú)立的光學(xué)器 件實(shí)現(xiàn)，兩者完全分離。同時(shí)，兩個(gè)光學(xué)器件中至少一個(gè)為顯微物鏡，克服了會(huì)聚透鏡成 像分辨率低或者激發(fā)功率密度小的問(wèn)題。
本發(fā)明系統(tǒng)的光路示意圖如圖1所示。
通過(guò)本發(fā)明系統(tǒng)，可單獨(dú)測(cè)量激發(fā)角(光學(xué)器件一的光軸和一維納米材料C軸的夾角 (p,如圖1所示)對(duì)一維納米材料光致熒光的影響，和接收角(光學(xué)器件二的光軸和一維
納米材料c軸的夾角e，如圖i所示)對(duì)一維納米材料光致熒光的影響。
對(duì)于前者，可在e固定，cp可變的情況下進(jìn)行，對(duì)于后者，可在cp固定，e可變的情 況下進(jìn)行。
本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)主要包括三種工作方式，分別是光學(xué)器件一為會(huì)聚透鏡(凸透鏡)， 光學(xué)器件二為顯微物鏡；光學(xué)器件一為顯微物鏡，光學(xué)器件二為會(huì)聚透鏡(凸透鏡)；和 光學(xué)器件一和光學(xué)器件二均為顯微物鏡。
第一種工作形式是利用凸透鏡匯聚光線于一維納米材料樣品表面激發(fā)一維納米材料， 利用顯微物鏡接收熒光，實(shí)現(xiàn)納米材料光致熒光光譜的角度分辨測(cè)量。
具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于第一種工作形式，如圖2所示光源(例如激光器)發(fā)出的光經(jīng)光纖 耦合器進(jìn)入光纖，光纖固定在一個(gè)可以精密調(diào)節(jié)的三維調(diào)整架上，以精確調(diào)整激發(fā)光線與 樣品間的夾角(cp)和激發(fā)光斑的位置。在光纖前放置一個(gè)與光纖軸線共軸并垂直的凸透 鏡，光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)凸透鏡匯聚到待測(cè)納米材料上。 一維納米材料樣品放置在一個(gè)可以 五維(一維納米材料的三個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)相互正交的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)調(diào)節(jié)的支持裝置上，
這樣便可以任意調(diào)節(jié)樣品在空間的位置和與顯微鏡物鏡光軸的夾角(e)。同時(shí)，借助CCD
觀察，通過(guò)調(diào)節(jié)光纖所在的三維調(diào)整架的二維平動(dòng)自由度(左右，上下)改變激發(fā)光斑在 一維納米材料上的位置；調(diào)節(jié)光纖所在的三維調(diào)整架的旋轉(zhuǎn)自由度來(lái)改變激發(fā)光斑的入射 角度(p。調(diào)節(jié)匯聚凸透鏡與光纖之間的距離，改變激發(fā)光源的聚焦，使得激發(fā)光斑以最小 尺寸匯聚在納米材料樣品上，從而達(dá)到最大的功率密度。調(diào)節(jié)激發(fā)光斑的位置、大小，并 在整個(gè)測(cè)量中保持相同的激發(fā)條件，即(p保持固定，激發(fā)光斑的位置和大小保持固定。樣 品發(fā)出的光被顯微長(zhǎng)焦顯微物鏡接收，通過(guò)光路耦合入光纖，光纖的另一端與光分析儀器 (例如光譜儀)相連接。
樣品發(fā)光的最大接收角由接收光路的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，而接收光路中數(shù)值孔徑最小的部 件是連接顯微鏡物鏡和光譜儀之間的光纖。因此，接收光路的數(shù)值孔徑由連接顯微物鏡和光譜儀的光纖決定。選用芯徑不同的光纖可以限制接收光路的數(shù)值孔徑，從而限制接收光 線的最大入射角。只有與顯微鏡物鏡光軸方向夾角小于臨界角的光才能耦合進(jìn)光纖并在光 纖內(nèi)傳播，大于臨界角的光不被光纖收集從而限制了顯微鏡物鏡的接收角度。本發(fā)明優(yōu)選 使用損耗較小、并且可以透過(guò)紫外光的石英光纖，也可以根據(jù)需要選擇具有不同通光波長(zhǎng) 范圍的光纖，包括通光波長(zhǎng)為200nm-1100nm的紫外可見(jiàn)光纖、通光波長(zhǎng)為400nm-2500nm 的可見(jiàn)紅外光纖等。當(dāng)選用的光纖芯徑較大時(shí)，顯微鏡物鏡的接收角度范圍較大，具有較 好的接收效率，但要損失一定的角度空間分辨率能力；當(dāng)選用的光纖芯徑較小時(shí)，顯微鏡 物鏡的接收角度方向性較好，具有較好的角度空間分辨能力，但光接收效率較低。因此在 選擇光纖芯徑時(shí)需要綜合考慮各種因素，例如樣品發(fā)光能力、所需的角度分辨率等。本發(fā) 明優(yōu)選使用芯徑為lmm的光纖，更優(yōu)選為芯徑為lmm的紫外可見(jiàn)光纖，這樣可以在角度 分辨率和接收效率之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。此外，也可以在所述光學(xué)器件二和所述光分析儀
器之間的光路中設(shè)置光闌，通過(guò)調(diào)節(jié)所述光路的孔徑光闌大小調(diào)節(jié)所述光學(xué)器件二的接收 角大小。
綜上，通過(guò)同時(shí)調(diào)整cp角，e角和接收光路的最大接收角，可以實(shí)現(xiàn)不同精度的納米
材料發(fā)光的角度分辨測(cè)量。這種工作形式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了微區(qū)光激發(fā)與光接收的分離， 接收光線的最大發(fā)散角可調(diào)，且顯微物鏡接收景深小、效率高，可以選擇特定位置發(fā)出的 光進(jìn)行分析，樣品與物鏡主光軸的夾角靈活可變。缺點(diǎn)是激發(fā)光的功率密度較小，顯微
物鏡的空間角度分辨能力有限。
第二種工作形式是利用顯微物鏡匯聚光線于樣品表面，由前置凸透鏡的光纖接收，實(shí) 現(xiàn)納米材料光致熒光光譜的角度分辨測(cè)量。
具體來(lái)說(shuō)光源(例如激光器)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光路的匯聚、衍射、擴(kuò)束后射入長(zhǎng)焦顯 微鏡物鏡，最終經(jīng)顯微鏡物鏡匯聚到樣品上作為光激發(fā)系統(tǒng)。樣品放置在一個(gè)可以五維調(diào) 節(jié)的支持裝置上，其中xyz三個(gè)維度可以調(diào)整樣品的空間位置，兩個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)維度 可以調(diào)節(jié)樣品的傾角，這樣便可以任意調(diào)節(jié)樣品在空間的位置與傾角。光接收系統(tǒng)由小直 徑長(zhǎng)焦凸透鏡和光纖組成。納米材料發(fā)出的光被透鏡接收并耦合到光纖內(nèi)傳播，光纖的另 一端與光分析儀器(例如光譜儀)相連接。光纖和長(zhǎng)焦小口徑凸透鏡共軸、且固定在一個(gè)
可以精密調(diào)節(jié)的三維調(diào)整架上，可以精確的調(diào)整光接收系統(tǒng)與樣品間的距離和夾角(e)。
和第一種工作形式不同，當(dāng)光纖和長(zhǎng)焦小口徑物鏡作為接收裝置時(shí)，可以利用光路可 逆原理確定光接收區(qū)域。將光纖的一端與光纖耦合器連接，光源發(fā)出的光通過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光纖。光纖的另一端固定在三維調(diào)整架上，從光纖中射出的光線經(jīng)前端與之共軸的凸 透鏡匯聚照射到樣品上，此時(shí)接收系統(tǒng)用作激發(fā)系統(tǒng)。借助CCD觀察，調(diào)節(jié)三維調(diào)整架 以改變光斑的位置和光線入射的方向，調(diào)節(jié)凸透鏡與光纖的距離來(lái)改變光線的聚焦。通過(guò) 顯微鏡的CCD可以觀察到光纖發(fā)出的光照射在樣品上的情況，由光路可逆原理，被照射 到的區(qū)域即是當(dāng)前接收狀態(tài)下光接收裝置的接收區(qū)域。同理，當(dāng)使用顯微鏡物鏡作為光激 發(fā)系統(tǒng)時(shí)，也可以利用顯微鏡的CCD觀察顯微鏡物鏡發(fā)出的光照射在樣品上的情況，從 而確定光激發(fā)的區(qū)域。
因'為光接收系統(tǒng)的最大接收角是0-24arcsin(d/2L),其中d是凸透鏡的直徑，L是凸透 鏡光心到樣品激發(fā)點(diǎn)的距離。因此改變凸透鏡光心到樣品的距離即可以改變光接收系統(tǒng)的 最大接收角①。當(dāng)選用長(zhǎng)焦小口徑凸透鏡時(shí)O值較小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收光線的角度分辨精 細(xì)測(cè)量。
這種工作形式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了微區(qū)光激發(fā)與光接收的分離，顯微物鏡激發(fā)單位面積 的功率密度大，激發(fā)光斑小，可以選擇性激發(fā)納米材料的某一部分；光接收系統(tǒng)的最大接 收角度可以控制，而且角度測(cè)量準(zhǔn)確；樣品放置在五維調(diào)整架上，可以靈活改變樣品的空 間位置與傾斜角度。缺點(diǎn)是光接收系統(tǒng)的接收面積大、景深長(zhǎng)，不容易實(shí)現(xiàn)納米材料發(fā) 光的局域接收。
第三種工作形式是利用顯微物鏡匯聚光線于樣品表面，利用另一顯微物鏡接收熒光， 實(shí)現(xiàn)納米材料光致熒光光譜的角度分辨測(cè)量。
這種工作形式激發(fā)與第一種工作形式相同，接收與第二種工作形式相同。激發(fā)與接收 均可以實(shí)現(xiàn)微區(qū)光激發(fā)與光接收。這種工作形式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了微區(qū)光激發(fā)與光接收的 分離，顯微物鏡激發(fā)單位面積的功率密度大，激發(fā)光斑小，可以選擇性激發(fā)納米材料的某 一部分；接收光線的最大發(fā)散角可調(diào)，且顯微物鏡接收景深小、效率高，可以選擇特定位 置發(fā)出的光進(jìn)行分析。缺點(diǎn)是由于顯微物鏡接收角較大，系統(tǒng)的角度分辨能力不高。而 且顯微物鏡對(duì)于系統(tǒng)支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高、調(diào)節(jié)的精密程度要求較高、系統(tǒng)的成本 也較高，因此應(yīng)用領(lǐng)域較少。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.激發(fā)與接收系統(tǒng)相互獨(dú)立。通常顯微熒光-拉曼系統(tǒng)由于光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造原因，激發(fā) 與接收系統(tǒng)均由同一個(gè)顯微物鏡實(shí)現(xiàn)，因此激發(fā)與接收系統(tǒng)無(wú)法獨(dú)立改變。而本系統(tǒng)由于將激發(fā)系統(tǒng)和接收系統(tǒng)分開(kāi)，兩個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)條件可以獨(dú)立改變，而不對(duì)另一系統(tǒng)產(chǎn)生影 響。例如，可以固定顯微物鏡激發(fā)條件，改變光纖接收系統(tǒng)的位置，從而實(shí)現(xiàn)在相同激發(fā) 條件下納米材料發(fā)光的角度分辨測(cè)量。例如，利用光纖系統(tǒng)作為激發(fā)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)五維樣品 調(diào)整架改變樣品對(duì)顯微物鏡光軸的夾角，利用顯微物鏡作為接收系統(tǒng)，接收納米材料不同 傾角下光譜的變化。
2. 實(shí)現(xiàn)了具有角度分辨能力的微區(qū)光激發(fā)和微區(qū)光接收。當(dāng)使用小口徑長(zhǎng)焦凸透鏡 激發(fā)時(shí)，光纖和透鏡放置在三維調(diào)整架上，激發(fā)角度和激發(fā)位置可調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了具有角度 分辨能力的微區(qū)光激發(fā)；選用不同芯徑的光纖連接顯微鏡物鏡和光譜儀，可以控制接收光 線與光軸的最大夾角，從而實(shí)現(xiàn)了具有角度分辨能力的微區(qū)光接收。例如納米材料發(fā)光的 角度分辨測(cè)量。這為研究納米材料發(fā)光的各向異性以及對(duì)不同方向的光響應(yīng)提供了可能。
3. 樣品的位置與傾角靈活可調(diào)。樣品放置在五維支持裝置上，"上下"、"左右"、"前 后"三個(gè)維度可以調(diào)整樣品的空間位置，另兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)維度可以調(diào)節(jié)樣品的傾角。這樣不僅可 以調(diào)節(jié)樣品的位置，還可以進(jìn)行變角度測(cè)量。
4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)。該系統(tǒng)部件少，無(wú)需復(fù)雜地調(diào)試，可靠性高，能夠比 較容易地和顯微熒光-拉曼系統(tǒng)整合，充分發(fā)揮綜合的優(yōu)勢(shì)。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的光路示意圖2是本發(fā)明第一種工作形式的系統(tǒng)實(shí)例示意圖，其中1一CCD， 2—物鏡，3—樣 品，4一光纖耦合器，5—光纖，6—凸透鏡，7—接光譜儀或其他光探測(cè)器，8—接激光器 或其他激發(fā)光源；
圖3是實(shí)施例一單根懸空Z(yǔ)nO納米棒在均勻照射的325nm激光激發(fā)下的Near Band Emission發(fā)光所成的像，圖a-g對(duì)應(yīng)納米棒c軸與顯微物鏡光軸的角度e由0度開(kāi)始每隔 15度增大至90度。
圖4是實(shí)施例一單根懸空Z(yǔ)nO納米棒旋轉(zhuǎn)期間納米棒端部熒光光譜隨角度變化而改變 的曲線。
圖5是實(shí)施例一單根懸空Z(yǔ)nO納米棒在旋轉(zhuǎn)期間(6從-卯°每隔15°增至90°)納米棒 端部亮度隨角度變化的曲線。
圖6是實(shí)施例二測(cè)量入射光線對(duì)單根懸空Z(yǔ)nO納米棒PL光譜的影響的曲線。入射光 線與ZnO納米棒c軸的夾角分別為100度(位置l)和57度(位置2)。
9圖7是實(shí)施例三當(dāng)長(zhǎng)焦小口徑凸透鏡的光軸分別垂直于和平行于CdS納米線C軸時(shí)納 米線發(fā)光的光譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
實(shí)施例i——光纖激發(fā)，顯微物鏡接收，cp固定，e=o°-90°
本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)接收角e變化對(duì)單根ZnO納米棒光致熒光(PL)影響的研究。具體步 驟如下
(1) 用CVD方法在藍(lán)寶石基底上生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列。
(2) 將ZnO陣列樣品用碳膠粘在SEM樣品臺(tái)上，裝入SEM。
G) 在SEM腔中裝入一個(gè)KleindiekMM3A-EM型納米操縱器，將經(jīng)過(guò)化學(xué)腐蝕的 W (鎢)針尖固定在納米操縱器的末端。
(4) 粗調(diào)納米操縱器，使W針尖移動(dòng)到ZnO陣列樣品上方，在推入SEM樣品臺(tái) 時(shí)其高度不會(huì)碰到極靴和其他的探頭。
(5) 控制納米操縱器移動(dòng)，使W針尖與ZnO納米棒接觸。用電子束照射W針尖和 ZnO納米棒接觸處，沉積無(wú)定形碳使得W針尖與ZnO納米棒相互粘和。
(6) 控制納米操縱器移動(dòng)，使得ZnO納米棒和藍(lán)寶石基底脫離，取出單根懸空Z(yǔ)nO 納米棒。
(7) 將單根懸空Z(yǔ)nO納米棒放入顯微熒光-拉曼系統(tǒng)，調(diào)節(jié)ZnO納米棒的位置和納 米棒c軸與光軸的夾角。
(8) 將光纖的一端與激光耦合器相聯(lián)，另一端前面放置一凸透鏡。整個(gè)系統(tǒng)置于調(diào) 整架上。
(9) 調(diào)節(jié)激發(fā)光斑位置和聚焦，使得激發(fā)光斑照射于ZnO樣品表面。
(10) 顯微物鏡收集ZnO樣品發(fā)出的光，并通過(guò)光路與一臺(tái)Princeton Acton SP300i
光譜儀連接。
(11) 在相同激發(fā)、接收條件下，調(diào)節(jié)ZnO納米棒的位置和納米棒c軸與光軸的夾 角e，從0度到90度每隔15度收集一次光譜，實(shí)現(xiàn)單根懸空Z(yǔ)nO納米棒角度分辨測(cè)量。
比較在相同激發(fā)(cp固定)、不同接收角度情況(6可變)下得到的圖像(圖3和圖4)， 可以看到單根懸空Z(yǔ)nO納米棒的PL具有明顯的各向異性。這一結(jié)果表明該系統(tǒng)的角度分 辨的特點(diǎn)可以用來(lái)研究發(fā)光各向異性樣品的光致熒光和拉曼，與傳統(tǒng)的共焦顯微熒光-拉曼
10系統(tǒng)相比，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
具體而言，從圖3可知，當(dāng)9從0。每隔15。增至90。時(shí)，PL光譜峰位發(fā)生藍(lán)移，光子 能量增加。顯示出當(dāng)光子沿納米棒c軸射出時(shí)(9=0°)，光子和ZnO納米棒晶格作用較強(qiáng)， 損失能量較多，光譜發(fā)生紅移；當(dāng)光子垂直于納米棒c軸射出時(shí)(9=90°)，光子和ZnO納 米棒晶格作用較弱，損失能量較少。
從圖4可知，當(dāng)e從0。每隔15。增至90。時(shí)，ZnO納米棒端面亮度逐漸減弱，與ZnO 納米棒PL成像結(jié)果(圖3) —致。但由于隨著9增大，ZnO納米棒側(cè)壁發(fā)光影響逐漸增強(qiáng)， 導(dǎo)致ZnO納米棒整體PL光譜在0=0°到60。之間時(shí)強(qiáng)度減?。?=75°和卯。時(shí)強(qiáng)度反而增大。
圖5進(jìn)一步給出了 0從0°每隔15°增至卯°時(shí)ZnO納米棒端部整體PL和NBE發(fā)光強(qiáng) 度隨角度變化的曲線，同時(shí)以x=0為對(duì)稱平面做0°到卯。ZnO納米棒端部發(fā)光強(qiáng)度曲線的 對(duì)稱曲線。在x-y平面得到一條以x-O為對(duì)稱軸的曲線，經(jīng)過(guò)測(cè)量得到曲線的半高寬約為 50°。由圓孔衍射公式6=1.22 A/d可知，當(dāng)入"390nm、 d=290nm時(shí)9=94°,而實(shí)驗(yàn)值約為 50°*2=100°。因此我們可以推斷出熒光從ZnO納米棒端部射出時(shí)發(fā)生了衍射，ZnO納米棒 PL強(qiáng)度角度分布主要是熒光經(jīng)圓孔衍射而形成的角度分布。
實(shí)施例2——光纖激發(fā)，顯微物鏡接收，e固定，cp-100。或57。
本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)激發(fā)角(p變化對(duì)單根ZnO納米棒光致熒光(PL)影響的研究。具體步 驟和實(shí)施例1相同，區(qū)別僅在于步驟11為固定ZnO納米棒的位置和與主光軸的夾角e， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持不變。調(diào)節(jié)激發(fā)光線和納米棒c軸的夾角cp，測(cè)量在cp-100。和57°時(shí) 單根懸空Z(yǔ)nO納米棒的光致熒光光譜的變化。
比較在接收相同、激發(fā)不同的情況下得到的譜圖(圖6)，可以看到在入射角為100° 或57。時(shí)，ZnO納米棒NBE (near band emission)發(fā)光變化非常微小，可以認(rèn)為這個(gè)微小 的變化是由于當(dāng)入射角為57。時(shí)入射光激發(fā)ZnO納米棒端面產(chǎn)生的。而對(duì)于缺陷發(fā)光部分， 在不同激發(fā)角度下變化很大。當(dāng)入射角沿ZnO納米棒c軸的時(shí)候，缺陷發(fā)光較強(qiáng)；當(dāng)入射 角垂直于ZnO納米棒c軸時(shí)，缺陷發(fā)光較弱。這些結(jié)果可能是由于缺陷發(fā)光對(duì)入射角度的 選擇性導(dǎo)致的。
實(shí)施例3——顯微物鏡激發(fā)，光纖接收
本實(shí)施例通過(guò)顯微物鏡激發(fā)，光纖接收，實(shí)現(xiàn)接收光線的角度分辨精細(xì)測(cè)量。具體步
驟如下(1) 用CVD方法生長(zhǎng)CdS納米線。
(2) 將一根頭發(fā)巻成圈，在生長(zhǎng)了 CdS納米線的基底上輕輕刮蹭，然后將頭發(fā)在 Si片表面輕輕刮蹭，就會(huì)有CdS納米線轉(zhuǎn)移到Si片上。
(3) 將載有CdS納米線的Si片放入顯微熒光-拉曼系統(tǒng)，調(diào)整CdS納米線的位置、取向。
(4) 激光器射出的激光經(jīng)過(guò)特殊光路的擴(kuò)束、干涉，經(jīng)顯微物鏡匯聚到一根CdS 納米線表面。
(5) 將光纖的一端與一臺(tái)Princeton Acton SP300i光譜儀相連接，另一端前面放置一 凸透鏡。整個(gè)接收系統(tǒng)置于調(diào)整架上。
(6) 調(diào)整接收系統(tǒng)的光軸與CdS納米線c軸之間的夾角進(jìn)行測(cè)量。由于接收系統(tǒng)的 接收角0=2*arcSin(d/2L)，其中d是凸透鏡的直徑，L是凸透鏡光心到樣品激發(fā)點(diǎn)的距離。 當(dāng)選用長(zhǎng)焦小口徑凸透鏡時(shí)O值較小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收光線的角度分辨精細(xì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中 d=6mm、 L=20cm，此時(shí)系統(tǒng)接收角O約為2度。將承載接收系統(tǒng)的三維調(diào)整架置于圓形軌 道上，待測(cè)樣品位于圓心處，每隔2度調(diào)整接收系統(tǒng)與納米線c軸的夾角，實(shí)現(xiàn)樣品光致 熒光的角度分辨測(cè)量。為了觀察到明顯的CdS納米線光致熒光隨接受角度變化而變化的趨 勢(shì)，分別測(cè)量當(dāng)接收系統(tǒng)的光軸垂直(6=90°)和平行(6=0°)于納米線c軸時(shí)納米線光致 熒光的光譜(圖7)。
可見(jiàn)，CdS納米線的PL具有明顯的各向異性。這一結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合， 表明該系統(tǒng)的角度分辨的特點(diǎn)可以用來(lái)研究發(fā)光各向異性樣品的光譜。兩種工作方式各有 利弊，顯示出本系統(tǒng)具有良好的靈活性與實(shí)用性。與傳統(tǒng)的共焦顯微熒光-拉曼系統(tǒng)相比， 具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
上述實(shí)施例都是顯微物鏡與前端帶長(zhǎng)焦小直徑凸透鏡的光纖相結(jié)合的應(yīng)用，但是本發(fā) 明并不僅限于此，而也可包括顯微物鏡與顯微物鏡的結(jié)合，或其它激發(fā)與接收分離的顯微 熒光-拉曼系統(tǒng)。本發(fā)明所用的光源和光分析儀器也不僅限于激光和光譜儀，包括激光二極 管、光強(qiáng)計(jì)、PMT、 SNOM等器件和儀器。任何基于本發(fā)明的精髓加以修改的設(shè)計(jì)都屬于 本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1.一種單根一維納米材料光致熒光角度分辨測(cè)量系統(tǒng)，包括光源，光學(xué)器件一，光學(xué)器件二，和光分析儀器；來(lái)自所述光源的激發(fā)光經(jīng)過(guò)所述光學(xué)器件一后激發(fā)所述一維納米材料發(fā)射熒光，所述熒光經(jīng)過(guò)所述光學(xué)器件二后傳遞至所述光分析儀器；其特征在于，所述光學(xué)器件一和光學(xué)器件二其一為顯微物鏡，另一為會(huì)聚透鏡，或兩者均為顯微物鏡。
2. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述激發(fā)光激發(fā)所述一維納米材料的激發(fā)點(diǎn)位于所述光學(xué)器件一和所述光學(xué)器件二光軸的交點(diǎn)上。
3. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)器件二固定，所述一維納米材料的C軸和所述光學(xué)器件二的光軸的夾角固定，所述一維納米材料的C軸和所述光學(xué)器件一的光軸的夾角可變。
4. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)器件二固定，所述一維納米材料的c軸和所述光學(xué)器件二的光軸的夾角可變，所述一維納米材料的c軸和所述光學(xué)器件一的光軸的夾角固定。
5. 如權(quán)利要求4所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述一維納米材料的c軸和所述光學(xué)器件一的夾角為90。。
6. 如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述一維納米材料通過(guò)一調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)五維調(diào)節(jié)，所述五維對(duì)應(yīng)所述一維納米材料的三個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)相互正交的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
7. 如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)器件二通過(guò)光纖和光分析儀器連接，所述光纖是通光波長(zhǎng)為200nm-1100nm的紫外可見(jiàn)光纖或通光波長(zhǎng)為400nm-2500nm的可見(jiàn)紅外光纖。
8. 如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)器件二的接收角大小通過(guò)下列方式調(diào)節(jié)在所述光學(xué)器件二和所述光分析儀器之間的光路中設(shè)置光闌，通過(guò)調(diào)節(jié)所述光路的孔徑光闌大小調(diào)節(jié)所述光學(xué)器件二的接收角大??；或，所述光學(xué)器件二通過(guò)光纖和光分析儀器連接，通過(guò)調(diào)節(jié)所述光纖的芯徑調(diào)節(jié)所述光學(xué)器件二的接收角大小，所述光纖的芯徑優(yōu)選為lmm。
9. 如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光源是激光器或激光二極管。
10. 如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述光分析儀器選自光譜儀、光強(qiáng)計(jì)或光電倍增管。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種單根一維納米材料光致熒光角度分辨測(cè)量系統(tǒng)，屬于納米材料光學(xué)表征技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明系統(tǒng)包括光源，光學(xué)器件一，光學(xué)器件二，和光分析儀器；來(lái)自光源的激發(fā)光經(jīng)光學(xué)器件一后激發(fā)一維納米材料發(fā)射熒光，熒光經(jīng)過(guò)光學(xué)器件二后傳遞至光分析儀器；其特征在于，光學(xué)器件一和光學(xué)器件二其一為顯微物鏡，另一為會(huì)聚透鏡，或兩者均為顯微物鏡。在該系統(tǒng)中，光學(xué)器件二固定，納米材料的c軸和光學(xué)器件二的光軸的夾角與納米材料的c軸和光學(xué)器件一的光軸的夾角其一固定，另一可變。本發(fā)明可用于研究光激發(fā)對(duì)單根一維納米材料光致熒光的影響。
文檔編號(hào)G01N21/64GK101672783SQ200910235520
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者李文亮, 睿 程, 旻 高 申請(qǐng)人:北京大學(xué)