[發明專利]STM針尖增強光信號空間成像裝置及其成像方法

有效

• 申請號: 202011467674.4
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112611890B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 張立功;申德振;劉雷;徐海;徐輯廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01Q60/10
• 分類號: G01Q60/10;G01Q60/16
• 代理公司: 長春中科長光知識產權代理事務所(普通合伙) 22218
• 代理人: 高一明;郭婷

本發明提供一種STM針尖增強光信號空間成像裝置及其成像方法，其中的裝置包括激光器、STM針尖、針尖壓電位移臺、樣品臺、光譜儀、鎖相放大器和前置放大器，樣品臺用于承載測試樣品并帶動測試樣品移動；激光器用于發出激光束并聚焦于測試樣品表面形成光斑；STM針尖垂直于測試樣品表面并指向光斑的中心；針尖壓電位移臺用于驅動STM針尖垂直于測試樣品表面做高頻振動，在測試樣品表面誘導出增強光信號；光譜儀用于采集測試樣品表面的光信號并轉換電信號；前置放大器用于對光譜儀轉換成的電信號進行放大；鎖相放大器用于從前置放大器放大后的電信號中提取出與增強光信號同頻的信號，獲得二維空間成像。本發明能夠消除背景光信號，實現增強光信號的提取。

技術領域

本發明涉及原子量級分辨光譜成像技術領域，特別涉及一種STM針尖增強光信號空間成像裝置及其成像方法。

背景技術

掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM)可以實現原子量級的材料電子分布探測，獲得了超級的原子尺度空間分辨能力，它為理解和掌握單分子、納米結構和低維材料提供了有用信息，為認識納米尺度電子態和量子化效應提供強有力的手段。STM探針的針尖一般采用貴金屬材質，而且具有極小的曲率半徑，在激光的誘導下，可以局域化被測材料表面的等離子被，在被測材料表面產生針尖增強的熒光和拉曼散射，這為獲得原子尺度分辨的拉曼散射或熒光提供了基礎，但由于原子尺度的空間產生的熒光或拉曼散射信號往往被掩滅在周圍大尺度的平均信號里，難以分辨出來，所以提取出納米尺度范圍的光信號尤為關鍵。

由于衍射極限的局限，光學信號的空間分辨長期不能突破，直到如受激發射淬滅加徑向光場等新技術的興起，突破了光學衍射極限，才實現了超分辨的熒光顯微。基于光信息來直接觀察納米甚至亞納米尺度的分子原子空間信息，對更深刻地理解微觀尺度上的原子或分子行為是極其重要的。光的發射或散射除了強度信息之外，還可以提供能量分布、動量和動態的相位等可以掌握材料中的原子分子在實現器件功能化時的空間特征。近幾年來，納腔概念和探針技術也被引入到熒光和光散射成像領域，納腔概念與探針技術相結合的設計，大大提高了光信號(拉曼與熒光)在納米微觀區域的增強效果，觀察到了分子水平的空間結構拉曼圖像，其設計思路是將單個分子被水平放置在金屬面上，當探針在分子附近掃描時，探針的針尖與金屬面之間會產生一個亞納米尺度的局域增強電場，若位于分子中某些原子團的上方，局域的增強電場和針尖/分子間電荷轉移會數個數量級地加大振動模式的拉曼散射信號或偶極耦合的熒光，而在耦合原子團之間的某些位置上方，由于與針尖的距離變化，場增強拉曼會衰減，從而產生信號對比度，獲得分子尺度的空間分布拉曼散射圖像或分子上的熒光圖像。

到目前為止，基于STM針尖增強光的空間掃描成像，針尖增強拉曼和熒光信號都是直接提取光信號，并未徹底地消除光散射或熒光背景，即針尖增強光信號和背景光信號(如針尖下材料周圍的部分也會被激發激光束輻照，產生光的散射或發射熒光)混合被收集系統捕獲，轉換成電信號。而且針尖增強光(包括光散射和光發射)空間掃描成像，都是采用針尖平掃模式，利用被探測物的原子分布空間結構差異造成光信號變化直接做襯度對比，實現空間圖像。這樣的設計無法提高針尖增強光那部分光信號的信噪比，所以現在的技術測試的對象或者現在被報道出來的研究工作只能針對單類的分子，而且被放置在能消除背景的襯底上，如在金膜上再外延上一層NaCl薄層，這樣來消除金等離子體效應的熒光背景。如果面對的是有光散射或熒光背景的材料體系，如半導體膜的點缺陷區域的熒光或拉曼，現有技術完全無法有效的提取針尖增強光信號，因為半導體材料本身的光發射和光散射很強，由于針尖有效作用面積下的原子團數量與激光束斑所輻照面下的原子團數量比在10^-8以上，針尖增強光信號部分會大幅度受到這一激光輻照面的背景影響。所以對于某些研究對象，這是一個不可避免的問題。

發明內容

本發明的目的是為了克服已有技術的缺陷，提出了一種STM針尖增強光信號空間成像裝置及其成像方法，通過STM針尖在測試樣品表面的上方一定高度范圍內做固定頻率的高頻振動，利用鎖相放大技術，消除測試樣品的背景光信號，實現針尖增強光信號的提取，獲得原子量級光響應模式的空間圖像。