s-SNOM系统工作原理及应用

s-SNOM利用探针的近场散射实现超分辨成像。s-SNOM系统的光路架构主要有两种:侧向照明-背向收集散射信号型和透射照明-侧面收集型,如图7-17所示。其中原子力显微镜(AFM)用来控制探针振动、针尖-样品距离和扫描样品。AFM利用自带的激光源和四象限探测器构成光杠杆,通过测量四象限探测器上激光光斑位置的变化来检测样品表面的起伏,从而反馈到压电扫描管上,实现针尖-样品距离的高精度控制。

图7-17　s-SNOM系统装置图(www.xing528.com)

s-SNOM系统的成像过程可以简单表述为,外部照明激光聚焦到探针针尖上,在针尖周围产生增强的局域场,并与针尖下方物质发生近场耦合,进而被散射到远场;从针尖散射的信号被探测器接收,然后输入锁相放大器,通过信号解调可从散射信号中提取样品表面的近场信号;AFM的扫描管带动样品进行二维扫描,实现近场显微成像功能。

当光波入射到具有精细结构的样品表面时会形成传播场和不可传播场,其中传播场即是常说的远场,由于光学衍射极限的存在,远场的显微分辨率最高只能约为入射光波长的一半。而不可传播场即近场(又称为隐失波或表面波),包含着物质表面的精细结构信息,被束缚在物质的表面,无法在远场收集。当散射式纳米探针靠近样品表面时,由于近场耦合作用,样品表面的近场被转化为传播场,散射到远场被探测器收集。由于近场散射信号含有靠近针尖区域的物质信息,通过对样品进行二维扫描,收集不同位置处的近场光学信号,即可获得物质表面的精细结构,实现超高分辨纳米光学成像。