王玥 1,3,4陈楠 1,2,3,4王博雨 1,5刘涛 1,3,4夏洋 1,2,3,4
1 中国科学院微电子研究所,北京 100190
2 中国科学院大学,北京 100049
3 北京市微电子制备仪器设备工程技术研究中心,北京 100029
4 集成电路测试技术北京市重点实验室,北京100089
5 北京交通大学研究生院,北京100044
近红外傅里叶变换光谱仪作为一种常用的科研级近红外光谱检测仪器, 广泛应用于各个科研领域。 目前的近红外光谱仪着重于光谱分辨率方面的提升, 在光谱信噪比提升方面关注较少。 光谱信噪比直接影响光谱线指数测量精度的优劣, 光谱信噪比越高, 光谱线指数测量精度越高, 越有利于对微量物质进行精细光谱比对。 因此, 提升光谱仪的光谱信噪比是十分必要的。 对比常用的钨灯光源, 激光驱动等离子体光源(LDLS)不仅在近红外区域具有高光照强度的优点, 而且其独特的高频调制输出信号在经锁相放大器调制解调后能够很好的抑制背景信号对干涉光谱所带来的影响。 高亮度与辐射调制的结合使得以LDLS作为光源的近红外傅里叶变换光谱系统在光谱信噪比方面获得显著提升。 基于上述原因, 提出利用新型激光驱动等离子体光源作为光谱信号输出源的近红外傅里叶变换光谱系统, 并与含有调制能力的钨灯光源搭建的近红外傅里叶变换光谱系统进行了信噪比的比较实验。 首先利用钨灯光源由斩波器高频调制再经过锁相放大器解调的方式, 对锁相放大器积分时间进行优化并通过计算干涉光谱信噪比进行评估, 分别对比了积分时间为0.5, 1, 5, 10和20 ms的干涉光谱信噪比与对称度, 确定后续系统中的锁相放大器最佳积分时间为5 ms, 该状态下钨灯光源所实现的干涉光谱信噪比经计算约为90:1; 其次利用激光驱动等离子体光源代替钨灯光源和斩波器, 在最佳积分时间下进行干涉光谱信噪比对比评估, 结果表明激光驱动等离子体光源的干涉光谱信噪比与传统钨灯光源相比提升111倍; 最后, 利用近红外标准片对系统进行光谱测量准确性评估, 结果表明利用该光源的近红外傅里叶变换光谱系统的近红外吸收峰值误差<0.5 nm, 具有高光谱准确性与分辨能力。
傅里叶变换光谱仪 激光等离子体 近红外光谱技术 锁相放大 信噪比 Fourier transform spectrometer Laser plasma Near infrared spectroscopy Lock-in amplifier Signal-to-noise ratio 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1666
1 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京市微电子制备仪器设备工程技术研究中心, 北京 100029
4 北京交通大学理学院, 北京 100044
傅里叶红外光谱（FTIR）是材料表征的一种重要手段, 然而受限于光的衍射极限, 传统傅里叶红外光谱仪的极限空间分辨率在微米量级, 无法应用于纳米材料的表征。 纳米傅里叶红外光谱（Nano-FTIR）是一种新兴的超分辨光谱表面分析技术, 其以纳米级空间分辨率、 宽光谱范围和高化学灵敏性的特点在纳米材料表征研究中展现了巨大的潜力。 定性及定量的研究Nano-FTIR信号高空间分辨的来源和系统中光谱信号的提取过程, 可以为Nano-FTIR仪器的设计研发和样品光谱表征结果的解释提供重要依据。 该研究从典型的仪器结构和基本的工作原理出发, 在多物理场有限元分析软件COMSOL中建立了等效研究模型, 并对模型的重要细节和数值计算过程分别进行了说明。 在仿真研究中, 首先基于麦克斯韦电磁波理论计算了模型空间的电磁场增强情况, 再模拟了探针在介电常数差异巨大的两种材料交界处的“线扫”过程, 探讨了针尖近场增强信号的空间分辨率。 随后, 以探针与样品的散射功率为数值模型的研究对象, 仿真了探针“轻拍”对信号的调制和解调提取的过程, 并讨论了不同入射倾角和解调频率对光谱信号提取的影响。 最后, 为了验证模型的合理性, 仿真了20, 100和300 nm三种厚度SiO2薄膜样品在900～1 250 cm-1波数范围的光谱响应, 并将仿真得到的光谱与实测结果进行了对比。 结果表明随着样品厚度的增厚, 光谱信号得到相应的增强, 模型预测的谱图与实测谱图波形与波峰位置较为一致, 且与以往一些文献中采用针尖-样品间电场强度表示针尖处散射信号强弱的方法相比, 获得的谱图在峰形上更为接近。 提出的数值模型可用于Nano-FTIR光谱的预测, 此外, 模型也具有一定的通用性, 可以为其他基于散射型近场光学显微（s-SNOM）技术的太赫兹光谱技术和针尖增强拉曼光谱研究提供一定的借鉴。
纳米傅里叶红外光谱 散射式扫描探针显微镜 有限元仿真 数值模型 Nano-FTIR s-SNOM COMSOL COMSOL Finite element simulation Numerical model 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1125
