扫描近场光学显微技术（SNOM）的新进展及应用方向

发布日期：2019-12-09

   “扫描近场光学显微技术” 早由科学研究工作者Edward Hutchinson Synge提出。根据观察到的在一定压力下电弧发出的通过孔径仅为100nm的强聚焦平面光，他认为，利用这种小孔径可以使光在样品表面进行逐点扫描成像，同时采集被测量物质的光学信息，并大胆预测这一技术的实现将是照明探测研究领域中的巨大突破。在1956年和1972年，John A.O'Keefe与Ash and Nicholls进一步完善了该理论，并提出小孔探测原件尽可能接近样品表面将有助于该技术的实现。1984年，台利用可见光辐射进行测量的近场光学显微镜由Pohl等制造并使用，该显微镜通过探针在样品表面保持数十纳米的距离采集反馈信息，并在两年后实现了高分辨成像。

   然而，传统近场光学显微镜由于瑞利衍射极限（Rayleigh limitation），其分辨率不仅受到孔径尺寸的制约，也受到入射光波长1/2的限制。因此，对于sub-um的纳米材料检测成像时，传统近场光学显微镜只能采用有限波长范围的可见光，且难以获得高清信息。而在中红外领域，近场光学显微技术对纳米结构几乎没有用武之地。散射式近场光学显微镜利用AFM探针对激光光束聚焦照明，在针尖附近激发一个纳米尺度的增强近场信号区域。当针尖接近样品表面时，由于不同物质的介电性质 差异，近场光学信息将被改变。通过背景压制技术对采集的散射信号进行解析，就能获取到样品表面的近场光学谱图并进行成像。该技术突破了传统孔径显微的限 制，其分辨率仅由AFM探针针尖的曲率半径决定。 

   德国Neaspec公司提供的新一代近场光学显微镜采用了这一散射式技术，高分辨率可达10nm，并通过的赝外差数据分析模式，同时解析强度和相位信号，解决了纳米材料尤其是在红外光谱范围的近场光学成像难题。

   近几年，散射式近场光学显微技术在局域表面等离子激元，无机材料表面波传导，二维材料声子极化，近场光电流，半导体载流子浓度，高分子材料鉴别和生物样品成像等领域研究得到了广泛的应用，并已然成为了推动光学物理、材料应用发展的重要工具。

   中红外光谱被广泛应用于化学、生物等学科及材料鉴定和二级结构分析的工作当中，由于衍射极限的存在，限制了对纳米尺寸蛋白质结构的研究。2013年，I. Amenabar等人利用Neaspec公司的纳米傅立叶红外光谱技术(nano-FTIR)进行的对蛋白质结构以30nm横向空间分辨率的进行光学成像的结果，以及nano-FTIR对单根蛋白质复合物的敏感度。实验结果展示了对病毒，铁蛋白（Ferritn）复合物，紫膜（purple membranes），胰岛素聚合物的局部光谱，并通过它们的α-螺旋 和/或者 β-页状结构进行解释。研究者同样通过nano-FTIR对胰岛素纤丝进行了研究。胰岛素纤丝是一种广泛应用于神经组织退化疾病研究的模型系统，实验结果表明3nm直径的淀粉样纤丝含有大量的a-螺旋结构。此结果揭示了在纤丝周围的蛋白质具有的令人惊讶的高度有序性，这个结果也许可以作为解释纤丝结合的原因。作者预见nano-FTIR将在如细胞受体的离体成像，和蛋白质四级机构的分析等众多领域中有着广泛的应用潜力。

   2015年，B. Pollard等充分利用近场光学显微镜对相位信息的高度敏感性，对PMMA高分子材料进行了成像。并在此基础上，进一步结合NanoFTIR中self-homodyne和self-heterodyne 两种不同模式对红外分子振动进行了深入研究。证实了在金环境中的分子响应与远场信号测量值具有高度的可比性。

   2016年，A. Y. Nikitin等通过波长10-12μm激发裁剪后的石墨烯纳米谐振器，得到了大量共存的Fabry–Perot mode信息。通过理论分析其两种等离子模式，即sheet plasmon和edge plasmon，发现后者体积仅为激发波长的10^-8倍。并通过理解edge plasmon的原理，可以促进一维量子发射器的开发，等离子激元和声子在中红外太赫兹探测器的研究，纳米图案化拓扑绝缘体等领域的进一步发展。

   石墨烯由于其独特性能被广泛的认可为具发展潜能的下一代光电设备材料。然而在纳米级别性能的变化影响了宏观行为，高性能石墨烯光电器件的开发受到了制约。2016年，Achim Woessner 等结合红外近场扫描纳米显微镜和电子读取技术，实现了红外激发光电流的成像，并且精度达到了数十纳米级别。通过研究边际和晶界对空间载流子浓度和局域热电性质的影响，实验者证明了这一技术对封闭石墨烯器件的应用。

   众多科学研究成果验证了“散射式近场光学显微技术”对科研工作的推动作用，NeaSNOM作为市场上一款散射型扫描近场光学显微镜，其化的散射式核心设计技术，地提高了光学分辨率，并且不依赖于入射激光的波长，能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内，提供优于10nm空间分辨率的光谱和近场光学图像，成为纳米光学领域热点研究方向的优选科研设备，为光学物理、材料应用等方向的应用发展贡献力量。