NeaSNOM 超高分辨散射式近場光學顯微鏡

超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM

    neaSNOM是德國neaspec公司推出的第三代散射式近場光學顯微鏡（簡稱s-SNOM），其采用了散射式核心設(shè)計技術(shù)，提高了光學分辨率，并且不依賴于入射激光的波長，能夠在可見、紅外和太赫茲光譜范圍內(nèi)，提供于10nm空間分辨率的光譜和近場光學圖像。由于其高度的可靠性和可重復性，neaSNOM已成為納米光學域熱點研究方向的科研設(shè)備，在等離基元、納米FTIR和太赫茲等眾多研究方向得到了許多重要科研成果。

    近，neaspec公司成功開發(fā)了可見至太赫茲高分辨光譜和成像綜合系統(tǒng)，將上述s-SNOM功能與納米紅外（FTIR）、針尖增強拉曼（TERS）、超快光譜（ultrafast）和太赫茲光譜（THz）進行聯(lián)用，可以為廣大科學工作者在等離子激元、二維材料聲子化、半導體載流子濃度分布、生物材料紅外表征、電子激發(fā)及衰減過程等的研究上提供相關(guān)支持。

neaSNOM近場光學顯微鏡技術(shù)點和勢：

•  neaSNOM是目前上款十分成熟的s-SNOM產(chǎn)品

•  散射式近場光學測量技術(shù)

    —*的*10 nm空間分辨率

•  高階解調(diào)背景壓縮技術(shù)

    —在獲得10nm空間分辨率的同時保持*的信噪比

•  干涉式近場信號探測單元

•  贗外差干涉式探測技術(shù)

    —能夠獲得對近場信號強度和相位的同步成像

•  反射式光學系統(tǒng) 

    —用于寬波長范圍的光源：可見、紅外以至太赫茲

•  高穩(wěn)定性的AFM系統(tǒng)，

    —同時化了納米尺度下光學測量 

•  雙光束設(shè)計  

    —*的光學接入角：水平方向180°，垂直方向60° 

•  操作和樣品準備簡單 

    —僅需要常規(guī)的AFM樣品準備過程

neaSNOM近場光學顯微鏡重要應(yīng)用域：

應(yīng)用案例

■  Science：石墨烯莫爾(moiré）超晶格納米光子晶體近場光學研究

    光子晶體又稱光子禁帶材料。從結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是類在光學尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計和制造的晶體，其物理思想可類比半導體晶體。通過設(shè)計，這類晶體中光場的分布和傳播可以被調(diào)控，從而達到控制光子運動的目的，并使得某頻率范圍的光子不能在其中傳播，形成光子帶隙。

    光子晶體中介質(zhì)折射率的周期性結(jié)構(gòu)不僅能在光子色散能帶中誘發(fā)形成完整的光子帶隙，而且在定條件下還可以產(chǎn)生維（1D）手性邊界態(tài)或具有Dirac（或Weyl）準粒子行為的奇異光子色散能帶。原則上，光子晶體的概念也適用于控制“納米光”的傳播。該“納米光”指的是限域在導電介質(zhì)表面的光子和電子的種耦合電磁振蕩行為，即表面等離子體激元（SPPs）。該SPP的波長，λp，相比入射光λ0來說多可減少三個數(shù)量。如果要想構(gòu)筑納米光子晶體，我們需要在λp尺度上實現(xiàn)周期性介電結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方法中采用top-down技術(shù)來構(gòu)建納米光子晶體，該方法在加工和制造方面具有較大的限制和挑戰(zhàn)。

    2018年12月，美國哥倫比亞大學D.N. Basov教授在Science上發(fā)表了題為Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices的全文文章。研究者用存在于轉(zhuǎn)角雙層石墨烯結(jié)構(gòu)（twisted bilayer grapheme, TBG）中的莫爾（moiré）超晶格結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)筑了納米光子晶體，并用德國neaspec公司的散射式近場光學顯微鏡neaSNOM研究了其近場光導和SPP性，證明了其作為納米光子晶體對SPP傳播的調(diào)控。

 ■  納米近場成像對鈣鈦礦太陽能電池的研究

    蘇州大學Q.L. Bao教授等人在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換離子遷移行為和載流子濃度分布等域作出了突出貢獻。2016年，發(fā)表在ACS Nano上的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換離子遷移行為的研究中，作者用Neaspec公司的散射式近場光學顯微鏡neaSNOM發(fā)現(xiàn)：1. 未施加外場電壓時， 該微納米線區(qū)域中載流子密度（圖1 g. s-SNOM振幅信號）和光折射率（圖1 g. s-SNOM相位信號）較均勻；2. 施加外場正電壓時，該區(qū)域中載流子密度隨I-離子（Br−）的遷移而向右移動（圖1 h. s-SNOM振幅信號），其光折射率隨隨MA+離子（CH3NH3+）的遷移而向左移動（圖1 g. s-SNOM相位信號）較均勻；3. 施加外場負壓時，情況正好與施加正電壓時相反（圖1 i）。該研究顯示弄清無機-有機鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的離子遷移行為對于了解鈣鈦礦基的殊光電行為具有重要意義，進而為無機-有機鈣鈦礦材料的光電器件應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖1.SNOM測量鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微納米線的光電轉(zhuǎn)換的離子遷移行為。

d-f. 離子遷移測量示意圖；g-i,相應(yīng)的s-SNOM光學信號振幅和相位圖

    2017年， Q.L. Bao教授等人發(fā)表在AdvanceMaterials的文章中再次用Neaspec公司的近場光學顯微鏡neaSNOM，*在實驗中研究了太陽能電池表面鈣鈦礦納米粒子涂層的載流子密度。結(jié)果顯示：鈣鈦礦納米粒子覆蓋區(qū)域近場信號強度高于Si/SiO2區(qū)域中信號強度（參見下圖2 b; 圖2 a為對應(yīng)區(qū)域的形貌）。另外作者也研究了增加光照的時間的影響（參見下圖2 c, d）。其結(jié)果顯示：近場信號強度隨光照時間增加，從12.5 μV (黃色，0 min) 增加到 14.4 μV (紅色, 60 min)，該近場信號反映了可移動自由載流子密度的變化。終，紅外光neaSNOM研究結(jié)果證明：隨光照時間增加，太陽能電池表面的鈣鈦礦納米粒子涂層富集和捕獲了大量的電子。

參考文獻：

1、Wang Y.H.; et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. Advanced Material 2017, First published: 3 March 2017; DOI: 10.1002/adma.201606370.

2、Zhang Y.P.; et. al. Reversible StructuralSwell−Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic−OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031−7038. 

■  絲纖蛋白電調(diào)控構(gòu)象轉(zhuǎn)變及其光刻應(yīng)用的納米紅外研究 

    中科院微系統(tǒng)所陶虎教授帶的研究團隊用neaspec公司的散射式近場光學顯微鏡neaSNOM高化學敏感和10 nm空間分辨的勢，在納米尺度近分子水平研究了電調(diào)控下絲蛋白中的多形態(tài)轉(zhuǎn)變。 該研究在納米尺度實現(xiàn)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的探測，結(jié)合納米精度的電子束光刻技術(shù)能為我們在二維及三維尺度實現(xiàn)絲蛋白的結(jié)構(gòu)控制提供有力的方法；同時該工作為開啟納米尺度的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究和探究蛋白質(zhì)電誘導構(gòu)象變化的臨界條件鋪平了道路；為未來設(shè)計基于蛋白質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)提了供新的規(guī)則。

參考文獻：
1. Nanoscale probing of electron regulated structural transitions in silk proteins by near field IR imaging and nano-spectroscopy， Nature Comm. 7:13079 
2. Precise Protein Photolithography (P3): High Performance Biopatterning Using Silk Fibroin Light Chain as the Resist, Adv. Sci. 2017, 1700191 

■  可調(diào)諧低損耗維InAs納米線的表面等離激元研究 

    亞波長下光的調(diào)控與操縱對縮小光電器件的體積、能耗、集成度以及響應(yīng)靈敏度有著重要意義。其中，外場驅(qū)動下由電子集體振蕩形成的表面等離激元能將光局域在納米尺度空間中，是實現(xiàn)亞波長光學傳播與調(diào)控的有效途徑之。然而，表面等離激元技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵目標是同時實現(xiàn)：①高的空間局域性，②低的傳播損耗，③具有可調(diào)控性。但是，由于金屬表面等離激元空間局域性較小，在長波段損耗較大且無法電學調(diào)控限制了其實用化。

    由中科院物理所和北京大學組成的研究團隊報道了砷化銦（InAs）納米線作為種等離激元材料可同時滿足以上三個要求。作者用neaspec公司的散射式近場光學顯微鏡neaSNOM，在納米尺度對砷化銦納米線表面等離激元進行近場成像并獲得其色散關(guān)系。通過改變納米線的直徑以及周圍介電環(huán)境，實現(xiàn)了對表面等離激元性質(zhì)的調(diào)控，包括其波長、色散、局域因子以及傳波損耗等。作者發(fā)現(xiàn)InAs納米線表面等離激元展現(xiàn)出：①制備簡易，②高局域性，③低的傳波損耗，④具有可調(diào)控性，這為用于未來亞波長應(yīng)用的新型等離子體電路提供了個新的選擇。該工作發(fā)表在高水平的Advanced Materials 雜志上。

參考文獻：

Tunable Low Loss 1D Surface Plasmons in InAs Nanowires，Yixi Zhou, Runkun Chen, Jingyun Wang, Yisheng Huang, Ming Li, Yingjie Xing, Jiahua Duan, Jianjun Chen, James D. Farrell, H. Q. Xu, Jianing Chen， Adv. Mater. 2018, 1802551

https://doi.org/10.1002/adma.201802551 

■  范德華材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的近場納米成像研究 

    范德華材料擁有整套不同的激元種類，在所有已知材料中的具有高的自由度。德國neaspec公司提供的進近場成像方法（s-SNOM）允許化波在范德華層或多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)中傳播時被激發(fā)和可視化，從而被廣泛應(yīng)用到范德華材料激元的研究中，為研究人員對范德華材料體系中激元的激發(fā)、傳播、調(diào)控等研究提供了有力的工具。另方面，范德華材料系統(tǒng)中激元的點是它們具有的電可調(diào)性。此外，在由不同的范德華層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不同種類的激元相互作用，從而可以在原子尺度上實現(xiàn)激元的控制。德neaspec公司提供的納米光譜（nano-FTIR）和納米成像成功被研究人員用于激元的調(diào)控等研究中，通過實驗證實，研究人員已經(jīng)成功開啟了操控激元相關(guān)納米光學現(xiàn)象的多種途徑。

范德華材料中激元的進近場光學可視化成像研究：

A、石墨烯中Dirac等離激元；B、 石墨烯納米共振器邊緣的等離激元；C、碳納米管中的維等離激元；D、 石墨烯-六方氮化硼moiré 超晶格體系中的超晶格等離激元；E、六方氮化硼上石墨烯的雜化等離子-聲子激元；F、WSe2中的激子激元；G、 雙曲六方氮化硼中的聲子激元及波導傳播

參考文獻：

Basov, D. N et. al Polaritons in van der Waals materials, Science, 354, aag1992(2016). DOI: 10.1126/science.aag1992

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neaspec公司產(chǎn)品以其穩(wěn)定的性能、*的空間分辨率和良好的用戶體驗，得到了國內(nèi)外眾多科學家的認可和肯定......

	Prof. Dmitri Basov 美國 加州大學  University of California San Diego	"The neaSNOM microscope with it’s imaging and nano-FTIR mode is the most useful research instrument in years, bringing genuinely new insights."
	Dr. Jaroslaw Syzdek 美國 勞倫斯伯克國家實驗室 Lawrence Berkeley National Laboratory	"We were looking for a flexible research tool capable of characterizing our energy storage materials at the nanoscale. neaSNOM proofed to be the system with the highest spatial resolution in infrared imaging and spectroscopy and brings us substantial new insights for our research”
	陳煥君 教授 中山大學 Sun Yat-sen University	"The neaSNOM microscope boosted my research in plasmonic properties of noble metal nanocrystals, optical resonances of dielectric nanostructures, and plasmon polaritons of graphene-like two dimensional nanomaterials."
	Prof. Rainer Hillenbrand Research Center Co-Founder and Scientific Advisor	"After many years of research and development in near-field microscopy, we finally made our dream come true to perform infrared imaging & spectroscopy at the nanoscale. With neaSNOM we can additionally realize Raman, fluorescence and non-linear nano-spectroscopy."
	Dr. Dangyuan Lei The Hong Kong Polytechnic University Department of Applied Physics Hong Kong	"We propose to establish a complete set of nano-FTIR and scattering-type SNOM in order to stay competitive in nanophotonics research as well as to maintain our state-of-the-art design and fabrication of novel nanomaterials. Only because of the unique technology from neaspec we were able to win this desirable university grant."
	Prof. Dan Mittleman Brown University School of Engineering USA	"The neaSNOM near-field microscope and it’s user-friendly software offer us an incredible flexibility for the realization of our unique experiments – without compromises in robustness, handling and ease-of-use."
	Dr. Raul Freitas Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) Brazil	"The great stability and robustness of the neaSNOM are key features for serving our diverse user’s demands. The neaSCAN software is user-friendly and intuitive allowing fresh users to quickly start measuring."
	Prof. Dr. Rupert Huber University of Regensburg Department of Phyics Germany	"The unique dual beam-path design of the neaSNOM near-field microscope makes neaspec the natural choice for ultrafast spectroscopy at the nanoscale."

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