[发明专利]非轻敲模式的散射式扫描近场光学显微镜系统及方法

说明书

用于实现峰值力散射扫描近场光学显微镜(PF‑SNOM)的系统、装置和方法。传统的散射式显微镜(s‑SNOM)技术使用轻敲模式操作和锁定检测，无法提供具有明确针尖‑样品距离的直接层析成像信息。PF‑SNOM使用峰值力散射式扫描近场光学显微镜，并结合峰值力轻敲模式和时间选通光检测，可以从样品表面直接分离垂直近场信号来进行三维近场成像和光谱分析。PF‑SNOM还提供5nm的空间分辨率，并且可以同时测量机械和电气特性以及光学近场信号。

优先权要求

本申请要求于2018年1月22日提交的题为“具有峰值力轻敲模式的非轻敲模式的散射式扫描近场光学显微镜”的美国第62/620,263号临时申请的优先权，本申请出于全部目的全文引用此文。

背景技术

扫描近场光学显微镜(Scanning Near-Field Optical Microscopy，SNOM，还被称作近场扫描光学显微镜-NSOM)是用于进行纳米结构研究的显微技术。在SNOM(如下所述)中，通过孔径来聚焦激光，而该孔径的直径小于激光所激发的波长，这导致在孔径的远侧产生消逝场(或近场)。当在孔径下短距离处扫描样品时，透射光或反射光会被捕获并以低于衍射极限的空间分辨率通过显示设备显示出来。

在SNOM应用中，散射式扫描近场光学显微镜(Scattering-type Scanning Near-Field Optical Microscopy，s-SNOM)是已经开发出的一种特殊技术，能够实现对于各种纳米级现象的研究，而远场光谱由于其光学衍射极限无法对这样的现象进行研究。s-SNOM已成为研究石墨烯等离子激元、表面声子极化子、相关电子材料的相变、异质材料中的成分和化学反应的工具。在s-SNOM中，通过光学检测器来测量原子力显微镜(atomic forcemicroscope，AFM)在样品上方操作的锐利金属针尖的弹性散射光。针尖与样品之间的近场相互作用可以改变针尖的极化率，从而影响光的弹性散射。但是，由于弹性散射不会改变散射光的波长，因此来自AFM悬臂其他部分或针尖区域外样品表面的反射或散射光子也会被同一个光学检测器记录并导致背景信号，背景信号是来自针尖-样品相互作用区域以外的背景区域的远场背景。为了对远场背景和针尖-样品相互作用的近场信号进行区分，一种传统的方法是在轻敲模式下，通过AFM悬臂的机械谐振振荡针尖，并在针尖振荡频率的非基波处对散射光进行锁相解调或傅里叶分析。

尽管这个方法应用广泛并且取得了成功，然而轻敲模式s-SNOM下的锁相检测仍存在局限性。首先，由于锁相解调的s-SNOM信号是离散值，因此传统的s-SNOM无法提供针尖-样品近场相互作用的垂直范围的直接信息。这导致在信号产生机制中，针尖-样品近场相互作用的距离相关性十分复杂并丢失。第二，不同解调阶数的s-SNOM信号表现出不同的信号形状，并导致空间图案变得模糊。此外，以轻敲模式操作的s-SNOM无法与其他需要牢固针尖-样品接触的AFM模式同时执行，例如测量机械性能和电导率。轻敲模式的s-SNOM无法实现对于近场光、机械和电信号的同时以及相关测量。

附图说明

将参考附图对本发明所公开主题的实施例进行说明，其中：

图1是根据本发明所公开主题的实施例的峰值力散射式近场光学显微镜(PF-SNOM，Peak Force Scattering-Type Near-Field Optical Microscopy)装置的系统图；

图2A是显示根据本发明所公开主题的实施例的通过PF-SNOM技术同时记录的悬臂垂直偏转和来自针尖的散射光的红外检测器信号的图表；

图2B是显示根据本发明所公开主题的实施例的从图2A中的两个波形导出的光学检测器信号和针尖-样品距离之间的关系的图表，其中保留了背景信号；

图2C是显示根据本发明所公开主题的实施例的通过减去图2B的拟合线性背景而获得的具有明确针尖-样品距离相关性的纯近场信号的图表；