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
Author Affiliations
Abstract
1 Carl von Ossietzky Universität, Institut für Physik and Center of Interface Science, Oldenburg, Germany
2 University of Konstanz, Department of Physics, Konstanz, Germany
We investigate the optical properties of nanostructures of antimony sulfide (Sb2S3), a direct-bandgap semiconductor material that has recently sparked considerable interest as a thin film solar cell absorber. Fabrication from a nanoparticle ink solution and two- and three-dimensional nanostructuring with pattern sizes down to 50 nm have recently been demonstrated. Insight into the yet unknown nanoscopic optical properties of these nanostructures is highly desired for their future applications in nanophotonics. We implement a spectrally broadband scattering-type near-field optical spectroscopy technique to study individual Sb2S3 nanodots with a 20-nm spatial resolution, covering the range from 700 to 900 nm. We show that in this below-bandgap range, the Sb2S3 nanostructures act as high-refractive-index, low-loss waveguides with mode profiles close to those of idealized cylindrical waveguides, despite a considerable structural disorder. In combination with their high above-bandgap absorption, this makes them promising candidates for applications as dielectric metamaterials, specifically for ultrafast photoswitching.
near-field spectroscopy scattering-type near-field optical microscopy tip-modulation SNOM dielectric nanostructure thin film patterning Advanced Photonics
2020, 2(4): 046004
1 中国科学技术大学 合肥微尺度物质科学国家实验室, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学物理系 中科院强耦合量子材料物理重点实验室, 安徽 合肥 230026
3 美国加州大学圣迭戈分校物理系, 美国 加州 拉荷亚 92093
铝酸镧/钛酸锶(LaALO3/SrTiO3)异质界面被发现具有二维导电性并呈现出其他一些有趣的呈展现象.而此前, LaAlO3/SrTiO3异质界面的导电性主要都是通过电学方法进行表征.这里作者首次提出利用散射式扫描近场光学显微镜 (s-SNOM) 对LaAlO3/SrTiO3界面的导电性进行空间成像, 这为研究过渡金属氧化物异质界面体系的物理现象提供了一个新的手段.
过渡金属氧化物异质界面 铝酸镧/钛酸锶 界面导电性 散射式扫描近场光学显微镜 transition metal oxide heterointerface LaAlO3/SrTiO3 interfacial conductivity s-SNOM
曲阜师范大学激光研究所， 山东 曲阜 273100；淄博师范高等专科学校科研处， 山东 淄博 255130
扫描探针显微镜(SPM)作为一种广泛应用的表面表征工具，不仅可以表征三维形貌，还能定量地研究表面的粗糙度、孔径大小和分布及颗粒尺寸，在许多学科均可发挥作用.以纳米材料为主要研究对象，综述了国外最新的几种扫描探针显微表征技术，包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和近场扫描光学显微镜(SNOM)等方法, 展示了这几种技术在纳米材料的结构和性能方面的应用.
材料表征 扫描探针显微镜(SPM) 扫描隧道显微镜(STM) 原子力显微镜(AFM) 近场扫描光学显微镜(SNOM) material characterization scanning probe microscopy(SPM) scanning tunneling microscope(STM) atomic force microscope(AFM) scanning near-field optical microscopy(SNOM)
扫描近场光学显微镜突破衍射极限,具有纳米量级的空间分辨率,量子点(QDs)标记有荧光强度高且抗光漂白能力强等优点.结合上述两种技术, 对人胃腺癌SGC-7901细胞膜表面特异性结合的叶酸受体(FR)进行成像探测,获得了叶酸受体在SGC-7901细胞膜表面上的分布,以及细胞内化外源性叶酸过程中叶酸受体在细胞膜表面的分布变化,成像的光学分辨率达到120 nm.实验结果表明:特异性结合的叶酸受体在SGC-7901细胞膜表面的分布,绝大部分是以聚集体的形式存在.随着SGC-7901细胞内化叶酸量的增加,叶酸受体在细胞膜表面的分布密度逐渐降低, 并在经过120 min左右趋于稳定.上述方法和手段为实现单细胞水平上靶点分布和变化的长期监测,肿瘤细胞内化受体的机制研究提供了新的技术途径.
近场光学显微镜(SNOM) 量子点(QDs) 人胃腺癌SGC-7901细胞 叶酸受体(FR) 免疫荧光标记
暨南大学生命科学技术学院化学系, 广州 510632
介绍了近期扫描近场光学显微镜(SNOM)在单分子探测、细胞精细结构和微生物学等研究领域中的应用进展,介绍了“量子荧光探针” 、“生物纳米光学”的概念,指出了SNOM在细胞内部或膜表面进行单分子探测与单分子量化研究中的难题,并提出将其与超薄切片相结合以解决这些难题的思路。SNOM在各个领域的应用研究还远远不足,需要做更多的工作,其成像原理及图像数据的解析还需作深入研究。
扫描近场光学显微镜(SNOM) 量子点 单分子探测 生物纳米光学 微生物学
大连理工大学物理系近场光学与纳米技术研究所,大连116024
介绍了超高分辨光子扫描隧道显微镜(PSTM)的研究历程,为解决第一代(单光束照明)光子扫描隧道显微镜中存在人为假象和样品光学图像与形貌图像难于分离两个难题,用π对称双光束照明方法消假象,用原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)图像分解方法分离样品光学透过率、折射率与形貌图像。研制成功新一代原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)样机。该样机在一次扫描中已获得两幅原子力显微镜图像(形貌与相位)和两幅光学图像(透过率和折射率),有效地减少了假象,分解了样品光学折射率、透过率与形貌图像。
显微 超分辨 光子扫描隧道显微镜 原子力显微镜 扫描近场光学显微镜
