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近场测量系统

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近场测量系统相关的资讯

  • 中科大“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”项目启动
    p  4月6日上午,由国家自然科学基金委组织、中国科学技术大学教授陆亚林承担的国家重大科研仪器研制项目“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”项目启动会在中国科大召开。启动会后,联席召开了管理工作组和监理组会议。/pp  管理工作组专家组组长由清华大学教授、中科院院士南策文担任。/pp  国家自然科学基金委工程与材料学部副主任车成卫宣布项目正式启动,并指出了设立国家重大科研仪器研制项目的重要意义。同时,他就国家重大科研仪器研制项目的定位、要求、设想、管理体制、项目管理部门、项目组织部门和项目依托单位职责等进行了说明。/pp  中国科大副校长朱长飞代表依托单位致辞,表示中国科大将大力支持该项目实施。/pp  在中科院院士南策文的主持下,管理工作组和监理组听取了项目负责人陆亚林所作的有关项目总体工作安排以及2017年度计划的项目启动工作详细报告。随后,三位分总体负责人也就各自负责的分总体工作安排作了报告。/pp  报告完成后,与会专家和负责人与项目组成员就项目工作安排、项目组织实施、可能面临的关键问题及技术难点等进行了热烈交流和讨论,对项目实施提出了建设性意见和建议。大家强调,项目实施过程中应重点关注系统集成的难度,充分运用多种方式研究各分系统间的相互干扰问题,做好风险防控 项目设计和研制过程中要注重仪器研制与重大科学问题的关联,充分考虑仪器的稳定性、可靠性和实用性 项目依托单位应进一步加强对项目组在人力、物力、基础条件等方面的支持。/pp  最后,管理工作组和监理组经过讨论和现场考察后认为,项目立项目标明确,总体设计方案合理,五年研制计划可行 2017年度工作计划具体,组织实施管理办法可靠 项目承担单位具有很好的学科支撑条件和先进的公共科研设施,为该项目的实施提供了良好的工作平台。管理工作组和监理组认为,该项目具备了启动研制工作的充分条件,一致同意尽快启动该仪器的研制工作。/pp  “太赫兹近场高通量材料物性测试系统”于2016年11月获批实施,期限自2017年1月起,至2021年12月。项目目标为研制一套全新的太赫兹近场高通量材料物性测试系统,系统将通过集成可调谐预聚束太赫兹自由电子激光与宽谱脉冲光源、探针和样品双扫描模式等核心技术,实现在可控温度、矢量磁场、电场等条件下对功能材料在宽太赫兹谱段范围的复光学常数的高空间时间分辨、高灵敏测量,并通过复光学常数与功能材料的特征物性之间的共性关联,揭示与之直接关联的功能材料特征物性,可以实施材料物性精密测量和快速材料筛选,仪器研制成功后有望在材料基因组工程、功能材料等方面的研究上获得重要应用,对进一步发现新材料将起到十分重要的作用。/ppbr//p
  • 纳米所重大项目:深紫外扫描近场光电探针系统研制
    p/ptable border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="600"tbodytrtd width="648" colspan="4"table width="600" border="1" align="center" cellpadding="0" cellspacing="0"tbodytr/tr/tbody/table/td/trtrtd width="122"p成果名称/p/tdtd width="526" colspan="3"p style="text-align:center "深紫外扫描近场光电探针系统/p/td/trtrtd width="122"p单位名称/p/tdtd width="526" colspan="3"p style="text-align:center "中科院苏州纳米所/p/td/trtrtd width="122"p联系人/p/tdtd width="157"p刘争晖/p/tdtd width="149"p联系邮箱/p/tdtd width="220"pzhliu2007@sinano.ac.cn/p/td/trtrtd width="122"p成果成熟度/p/tdtd width="526" colspan="3"p■正在研发 □已有样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产/p/td/trtrtd width="122"p合作方式/p/tdtd width="526" colspan="3"p□技术转让 □技术入股 □合作开发 ■其他/p/td/trtrtd width="648" colspan="4"pstrong成果简介: /strongbr/ 本设备在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目(自由申请)的支持下,自2014年起,针对波长200~300 nm的深紫外波段微区光电性质测试分析这样一个难题,研制一套深紫外扫描近场光电探针系统。将深紫外共聚焦光路引入到超高真空扫描探针显微镜系统中,采用音叉反馈的金属探针,在纳米尺度的空间分辨率上实现形貌和紫外波段荧光、光电信号的实时原位测量和综合分析,为深入研究这一光谱范围半导体中光电相互作用的微观物理机制、实现材料的结构和性质及其相互关系的研究提供新的实验系统,目前国内外均未有同类设备见诸报道,为国际首创。该系统中创新性研制的闭环控制低温超高真空原子力显微镜扫描头、波长在200nm-300nm可调谐的深紫外脉冲光源、基于原子力显微镜的深紫外光电压谱测试和分析方法、深紫外近场荧光寿命的高空间分辨测试和分析方法等核心设备和技术均为本项目单位自主研制,具有完全自主知识产权。/p/td/trtrtd width="648" colspan="4"pstrong应用前景:/strongbr/ 近年来,深紫外,特别是280nm以下日盲波段的半导体探测和发光器件,以其巨大的经济军事应用价值,逐渐成为研究重点。然而,相较于可见光半导体光电器件,深紫外波段半导体光电器件的性能包括光电转换效率、探测灵敏度等距人们的需求还有较大差距。其中一个重要原因是缺乏究深紫外半导体材料中光电相互作用的微观物理机制的有效研究手段。而本设备的研制将极大地丰富超宽带隙半导体材料和器件研究的内涵,推进相关材料和器件的发展。/p/td/trtrtd width="648" colspan="4" style="word-break: break-all "pstrong知识产权及项目获奖情况:/strongbr/ 本设备相关的装置和技术均申请了发明专利保护,其中已获授权11项,已申请尚未获得授权6项,如下所示: br/ 已授权专利: br/ 1、一种扫描近场光学显微镜 br/ 2、材料的表面局域电子态的测量装置以及测量方法 br/ 3、半导体材料表面缺陷测量装置及表面缺陷测量方法 br/ 4、材料界面的原位加工测试装置 br/ 5、多层材料的减薄装置及减薄待测样品的方法 br/ 6、界面势垒测量装置及测量界面势垒的方法 br/ 7、导电原子力显微镜的探针以及采用此探针的测量方法 br/ 8、半导体材料测量装置及原位测量界面缺陷分布的方法 br/ 9、材料表面局部光谱测量装置及测量方法 br/ 10、采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法 br/ 11、制备金属针尖的装置及方法 br/ 已申请未授权专利:br/ 1、半导体材料表面微区光电响应测量装置及测量方法 br/ 2、一种同时测量表面磁性和表面电势的方法 br/ 3、超高真空样品转移设备及转移方法 br/ 4、用于近场光学显微镜的探针及其制备方法 br/ 5、探针型压力传感器及其制作方法 br/ 6、阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置及方法 br/ 此外本设备研制相关软件著作权登记1项:“中科院苏州纳米所原子力显微镜与光谱仪联合控制软件”。/p/td/tr/tbody/tablepbr//pp/p
  • 国内首套真空太赫兹波段近场光学显微系统在电子科技大学太赫兹中心成功安装
    太赫兹有着光明的应用前景,还是一片未开垦的处女地。电子科技大学太赫兹中心自成立以来,为太赫兹科学研究搭建了更高的合作发展平台,也标志着我国以“国际前沿、”为目标的太赫兹科学研究迈入了崭新阶段。2018年6月,应电子科技大学太赫兹中心对真空环境下进行太赫兹近场光学研究的需求,QD中国工程师配合德国neaspec公司立即展开积响应并为客户量身定制了套真空太赫兹波段近场光学显微系统(HV-THz-neaSNOM),并已成功安装。 图1:电子科技大学太赫兹中心安装调试现场 图2:真空太赫兹波段近场光学显微系统(HV-THz-neaSNOM) 电子科技大学太赫兹中心原有一套大气环境太赫兹波段近场光学显微系统(THz-neaSNOM),空间分辨率~50nm、宽太赫兹时域近场响应波段0.5-2.2THz。由于更进一步的科研需要,客户需在更加严格的真空条件下进行太赫兹实验。为了满足客户的实验需求,德国neaspec公司在原有大气环境THz-neaSNOM的基础上,结合新的低温散射式近场光学显微镜(Cryo-neaSNOM)技术,设计了新的真空腔体系统,改进了原子力显微镜布局,并重新设计了光路,终成功研发出了套真空太赫兹波段近场光学显微系统(HV-THz-neaSNOM)。该套系统成功地继承了德国neaspec公司THz-neaSNOM的设计优势,采用保护的双光路设计,完全可以实现真空环境下太赫兹波段应用的样品测量。HV-THz-neaSNOM在实现30nm高空间分辨率的同时,由于采用0.1-3THz波段的时域太赫兹光源(THZ-TDS),也可以实现近场太赫兹成像和图谱的同时测量。这大地满足真空环境中太赫兹近场光学研究的需求,可以减少大气中水对太赫兹波段的吸收影响,能更好地保持样品的洁净,为用户进一步集成真空设备提供了基础。 图3:系统理论培训 图4:现场实时操作培训 太赫兹波有强的穿透性,对不透明物体能完成透视成像,用来做半导体材料、生物样品等的检测是其应用趋势之一。该套真空太赫兹波段近场光学显微系统(HV-THz-neaSNOM)的集成,将在生物应用、半导体元器件和相变材料载流子等研究及领域都有着广阔的应用前景,有望为广大太赫兹科研工作者提供更多实际研究工作中的便利和支持。
  • 国家重大科研仪器研制项目“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”结题验收会在合肥召开
    7月27日,中国科学技术大学承担的国家重大仪器设备研制专项(部门推荐)“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”结题验收会在合肥召开。国家自然科学基金委员会窦贤康主任及相关部门负责人、中国科学院科技基础能力局相关负责人、项目验收专家组(含仪器测试验收专家组、财务验收专家组、技术档案验收专家组)、项目监理组、中国科学技术大学包信和校长及相关部门负责人、项目负责人陆亚林及项目组成员等80余人参加了验收会。验收会由国家自然科学基金委工程与材料科学部常务副主任王岐东主持。项目验收专家组由14位专家组成,清华大学段文晖院士和武汉大学刘胜院士分别担任验收专家组组长和副组长。专家组首先听取了项目负责人、中国科学技术大学杰出讲席教授陆亚林关于“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”项目汇报。陆亚林教授带领项目组历时七年,克服了前沿技术挑战和国际贸易形势变化所带来的困难,攻坚克难,成功研制太赫兹近场高通量材料物性测试系统。项目通过研发可调谐预聚束太赫兹激光光源和宽谱脉冲光源、探针和样品双扫描、大口径矢量磁体等核心技术,研制了一套太赫兹近场高通量材料物性测试系统。该系统由复合光源、传输光路、多物理场、近场探测、中央控制及通用系统等构成,主体设备和相关部件已全部就位,系统运行状态良好。达到了计划书的全部技术指标,其中部分指标优于计划书指标。项目组突破了传统需要在100 K左右低温和真空才能实现的瓶颈,首次获得室温大气环境下的原子分辨太赫兹隧道电流成像;突破了多场条件集成技术瓶颈,首次获得低温强磁场下的原子分辨太赫兹近场隧道电流成像;突破了冷壁贯穿孔光学兼容技术瓶颈,成功研制出大口径超导矢量磁体,参数显著高于国际已有矢量磁体;突破了预聚束电子束团串激发0.5-5 THz相干辐射、轻量化固定磁极间隙波荡器、电控偏振分合束激光脉冲串成型光路等技术瓶颈,研制出紧凑型可调谐太赫兹激光器系统,实现了激光中心频率大范围调节。该系统相关技术还被应用于拓扑材料、人工磁结构等测量,包括在超薄氧化物薄膜异质结中测得了斯格明子并具有规模化特性;观测到具有平带结构中的长程铁磁序;在磁阻薄膜中实现了可控磁性莫尔条纹;确立了拓扑克尔效应作为磁斯格明子结构的新机制。验收专家组还听取了松山湖材料实验室冯稷研究员代表项目监理组的监理报告、合肥工业大学吴玉程教授代表仪器测试验收专家组的仪器测试报告、南京信息工程大学袁敏正高级经济师代表财务验收专家组的财务验收报告、中国科学院档案馆潘亚男研究馆员代表技术档案验收组的档案验收报告。其中仪器测试、财务、档案由基金委组织专家于7月24-26日顺利完成了分项验收。验收专家组和基金委相关领导现场考察了仪器设备运行情况。专家组对项目研制工作给予了高度评价,一致认为项目组全面完成了项目工作,评价结果为A。参加验收会的还有国家自然科学基金委工程与材料科学部副主任苗鸿雁、赖一楠,中国科学院科技基础能力局副局长卢方军、科技条件处副处长陈代谢,项目依托单位中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心主任罗毅等。(合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部)
  • 看散射型近场纳米红外光谱与成像系统如何助力胶原纤维、生物催化、活体细胞等生物领域研究
    一、胶原纤维研究 胶原纤维是人体各种器官(如骨、肌肉)中关键的组成成分之一。胶原纤维拥有复杂的微纳生物结构,这种结构的有序排列使胶原纤维能够表现出优异的生理性能,同时,这种结构的改变会导致其生理特征的急剧变化。劳损、骨折等常见疾病的发病机理就与胶原微纳结构变化密切相关。如何观测并理解胶原纤维微纳尺度的结构变化是治疗相关胶原类疾病的关键所在。 近日,中国科学院物理研究所陈佳宁课题组利用散射式近场扫描显微镜(IR-neaSCOPE)对胶原纤维进行纳米分辨率红外扫描成像。该研究通过在组织切片表面近场测量紧凑排布的胶原纤维簇,对胶原纤维的纳米周期性横纹结构进行量化分析,并观察到胶原纤维发生的横纹倾斜现象。该研究借助胶原晶格模型解释其现象的产生机理,揭示了胶原纤维内部分子间可能存在的滑移位错形变。 该结果有助于人们理解胶原结构失序时胶原纤维可能发生的纳米结构变化,为解读胶原类疾病的发病机理提供了新思路。同时,该工作展示了s-SNOM在生命科学中对于生物微纳尺度结构研究的广阔应用前景。相关结果发表在近期的《Nano Research》上。该工作得到了重点研发计划、自然科学基金,中国科学院战略重点研究计划的资助。 二、生物催化(MOF体系)研究 生物催化转化在生物体中,如多酶催化联,在不同的细胞膜区隔的细胞器中高效率地进行。然而,在自然系统中模拟生物催化联过程仍然具有挑战性。 近日,华东师范大学李丽老师课题组报道了多壳金属有机骨架(MOF)可以作为一种层次化的支架,在纳米尺度上对酶进行空间组织,以提高联催化效率。 研究人员通过外延逐壳过生长的方法将多壳MOF包裹在多酶上,其催化效率是溶液中游离酶的5.8~13.5倍。重要的是,多壳MOF可以作为一个多空间隔室的纳米反应器,允许在一个MOF纳米颗粒中物理分隔多个酶,以便在一个锅中进行不相容的串联生物催化反应。研究人员使用纳米傅立叶变换红外光谱(Nano-FTIR)来解决与多壳MOF中的酶相关的纳米振动活性的不均一性。多壳MOF能够根据特定的串联反应路线方便地控制多酶的位置,其中载酶1和载酶2的壳沿内到外壳的紧密定位可以有效地促进质量传递,从而促进高效的串联生物催化反应。 这项工作有望为设计高效的多酶催化联反应提供新的思路,以鼓励其在许多化工和制药工业过程中的应用。 三、原位液相活体细胞研究 近日,德国attocube systems AG的工程师Korbinian联合德国慕尼黑大学Fritz Keilmann课题组报道了基于散射型纳米红外成像与光谱技术在液相环境关于纳米颗粒和活体细胞的定量研究。纳米红外光谱与成像的液相探测基于一个由10 nm厚度的SiN薄膜和金属液相池组成,通过扫描探针在针形成有效的红外探测近场对吸附(浸润)在SiN另一侧的纳米颗粒或活体细胞进行原位液相扫描。 液相原位纳米红外成像与光谱下的A 549癌细胞 这项工作是基于反射式光路的散射型扫描近场显微镜(s-SNOM)和nano-FTIR建立的原位液相样品池,通过搭配波长可调谐的红外激光器,有希望拓展从近红外(特别是近红外II区)到中红外(全指纹区覆盖)乃至远红外的全红外波段的液相环境下材料和细胞的纳米尺度探测。
  • 330万!山东大学高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统采购项目
    项目编号:SDDX-SDLC-GK-2022025项目名称:山东大学高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统项目预算金额:330.0000000 万元(人民币)最高限价(如有):330.0000000 万元(人民币)采购需求:高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统,亟需购置。具体内容详见招标文件。标段划分:划分为1包。合同履行期限:质保期国产设备3年,进口设备1年。本项目( 不接受 )联合体投标。5、(进口)20221226-025-山东大学高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统(发售稿).pdf
  • 330万!山东大学高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统采购项目
    项目编号:SDDX-SDLC-GK-2022025项目名称:山东大学高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统项目预算金额:330.0000000 万元(人民币)最高限价(如有):330.0000000 万元(人民币)采购需求:高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统,亟需购置。具体内容详见招标文件。标段划分:划分为1包。合同履行期限:质保期国产设备3年,进口设备1年。本项目( 不接受 )联合体投标。5、(进口)20221226-025-山东大学高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统(发售稿).pdf
  • ACS Nano成果速递:光致发光、拉曼、近场光学同步测量技术揭示二维合金材料新特性
    近期,乔治亚大学研究人员成功使用一种新型组合显微镜对二维材料进行了深入分析,该显微镜能够利用纳米的发光,弹性和非弹性光散射测试二维材料,即实现nano-PL、nano-Raman、s-SNOM的同步测量,并将观测的尺度提升到纳米量。乔治亚大学Yohannes Abate教授与研究生讨论neaspec设备[1] 单层异质结构的应用潜力直接受到材料内在和外在的缺陷影响。乔治亚大学的研究人员在Abate教授的带领下,利用neaSNOM散射式近场光学显微镜,研究了二维(2D)单层合金光致氧化过程中纳米尺度下的奇异界面现象。他们发现界面张力可以通过建立稳定的局部势阱来集中本征激子,从而实现高的热稳定性和光降解稳定性。该实验结果由neaspec公司特的nano-PL / Raman和s-SNOM同步测量技术所采集,并已发表在ACS NANO中[2]。在实验中,作者合成了由单层面内MoS2-WS2异质结构制成的2D纳米晶体,这些晶体在富Mo的内部区域和富W的外部区域间,显示出了较强的纳米合金界面。在针增强照明刺激下( 100天),他们进一步观察到,光降解过程中界面的激子稳定性、局域性和不均匀性。得益于高度敏感的s-SNOM成像技术,作者探测到富W的外部区域的反射率出现急剧下降。该反射率始于晶体边缘,并随时间向内传播。在同一样品区域获得的高光谱纳米光致发光(nano-PL)图像显示,W氧化相关的激子的猝灭会遵循与s-SNOM相同的模式(在边缘开始并向内传播)。令人惊叹的是,合金界面的内部区域表现出了强大的抗氧化能力。即使在光降解100天后,它仍具有很强的s-SNOM信噪比和未淬灭的nano-PL信号。为了进一步研究结构变化,作者使用nano-PL进行了增强拉曼高光谱纳米成像测量,并在同一扫描区域的每个像素处获取了空间和光谱信息。实验结果表明,在整个晶体的光降解过程中,WS2拉曼峰逐渐消失,而在内部区域中的MoS2仍然存在。该结果表明在相同的环境条件、同一显微镜下测量相同的晶体,由于热诱导的合金和基底晶格常数的不匹配,导致光氧化与局部应变存在一定的关联。而合金界面可防止该应变传播到内部区域,从而防止其降解。 neaSNOM显微镜特的双光束设计,实现了3种不同测量技术在同一样品点的同步测量。该设计允许在单个显微镜中集成nano-PL / Raman和s-SNOM技术,并保持测量的灵敏度。通过 大程度优化s-SNOM信号,这种组合还可以实现非常快速的光束对准,从而获得 佳的PL和Raman信号。 在neaSNOM设备上,集成不同的纳米光学技术进行的相关分析,为深入探索2D合金奠定了基础,也使得neaSNOM成为了一个电子和发光性质测量的优 秀平台。 参考文献:[1]. Imaging technique provides link to innovative products, Science & Technology, February 4, 2021by Alan Flurry[2]. Photodegradation Protection in 2D In-Plane Heterostructures Revealed by Hyperspectral Nanoimaging: The Role of Nanointerface 2D Alloys. ACS Nano 2021, 15, 2, 2447–2457
  • 蓝光近场太赫兹非线性光学技术
    近日,美国布朗大学物理系的Angela Pizzuto等人完成了第一个使用蓝光的扫描近场显微镜的实验演示。通过410纳米的飞秒脉冲,研究人员直接从体硅中产生太赫兹脉冲,以纳米级的分辨率进行空间分辨,这些信号提供了使用近红外激发无法获得的光谱信息。他们开发了一个新的理论框架来解释这种非线性相互作用,使得材料参数的精确提取成为可能。这项工作为使用扫描近场显微镜方法研究技术上相关的宽带隙材料建立了一个可能的新领域。上世纪90年代中期,散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)的出现,改变了亚波长光学领域。这种技术涉及到将电磁辐射耦合到一个尖锐的亚波长金属尖端,并随后在远场测量从该尖端-样品交界处散射的辐射。在过去的十年里,这种近场测量的方法在光谱的红外和太赫兹区域产生了显著的影响。基于孔径的亚波长光谱学方法是具有挑战性的,随着波长的增加,入射波与金属尖端的耦合变得更容易,而空间分辨率仍然受到尖端尺寸的限制。关于短波长辐射与纳米级尖端的耦合是一项艰巨的任务,阻碍了对重要的宽带隙材料的纳米级研究,如硅和氮化镓等。这些材料已经用低于带隙的激发方式在近场进行了线性光学研究。将纳米级的非线性光学方法应用于其他材料已比较成熟,但由于将该方法应用于这些高度相关的材料系统一般需要更高的能量光激发,至今还没有实现。布朗大学的Angela Pizzuto等人描述了一个入射光子能量超过3eV的扫描近场光学显微镜测量。使用410纳米的飞秒脉冲,研究人员照亮了一个锋利的金属原子力显微镜(AFM)尖端,并通过二阶非线性光学过程诱导来自几种不同材料的太赫兹发射,以实现具有纳米级空间分辨率的激光太赫兹发射显微镜(LTEM)。由于宽直接带隙以上的双光子激发,泵浦光子的高能量使大块晶体硅的强太赫兹发射成为可能。激光太赫兹发射显微镜的特性导致了对光学对准的要求大大放宽;传统的线性扫描近场光学显微镜使用纳米尖来限制入射波,这种聚焦短波长辐射在纳米尖下的精确对准实际上是有挑战性的。在实验中,通过对一小部分的宏观光生太赫兹偶极子的外耦合,可以获得纳米级的分辨率,研究人员首次实现了在扫描近场光学显微镜中使用紧密聚焦的蓝光。他们得到了第一个硅的近场激光太赫兹发射显微镜图像,并将结果与太赫兹扫描近场光学显微镜通过尖端的太赫兹脉冲的弹性散射获得的结果相比较。图1是激光路径和扫描近场光学显微镜实验装置示意图。近红外、蓝光和太赫兹光束分别产生,其中太赫兹脉冲使用传统的光电导天线产生,所有的三束光重叠并耦合到原子力显微镜中。散射或发射的太赫兹脉冲在另一侧通过自由空间电光采样进行相干检测。图1 实验装置示意图为了说明在宽带隙材料中使用激光太赫兹发射显微镜的价值,研究人员使用硅片作为样品,它在近红外激发下不会发出明显的太赫兹辐射。该硅片有一个小的区域,受到了离子注入,随后的退火激活了这个区域注入的掺杂物。这样硅片包含两个掺杂密度非常不同的区域,它们之间有一个清晰的边界。研究人员对这个边界区域进行了线性和非线性测量,并对结果进行比较。图2 硅样品的太赫兹辐射。(a)太赫兹脉冲 (b)太赫兹脉冲峰峰值与泵浦光束的平均功率之间的关系首先,当用超快蓝光泵浦时,未注入的基底和注入的区域都会发出太赫兹脉冲。图2a显示了由蓝光激发的THz脉冲,在探针敲击频率的二次谐波处解调得到的结果。可以观察到,轻度掺杂的基底比重度掺杂的植入区域产生明显更多的太赫兹发射。为了更好地理解太赫兹的产生机制,研究人员测量了发射的太赫兹峰峰值与蓝色泵浦光束的平均功率之间的关系,如图2b所示。当功率在大约2 mW以上,太赫兹发射强度受蓝光功率增加的影响较小;事实上,一旦泵浦通量足够高,很大一部分可用的电荷载流子将被光激发,任何多余的泵浦光子将被高的局部导电性屏蔽。由图2b中的插图可以看出,发射的太赫兹场的振幅和泵浦光功率之间有一个明显的二次方关系。这表明THz产生的主要机制是双光子吸收;价带中的载流子吸收了超过6 eV的泵浦能量,并被激发到远高于块状Si的宽4.2 eV的直接带隙之上。该实验结果为扫描近场光学显微镜方法在宽带隙材料上的应用提供了新的可能性。
  • 综述:太赫兹近场超分辨成像,不断突破衍射极限
    太赫兹(THz)辐射频率处于电子学和光学频率之间,因此具备多种光电子特性。THz成像作为THz辐射最重要的应用方面,在国防、通信、生物、医学和材料有着巨大应用潜力。THz 时域光谱系统(THz-TDS)被广泛用于角膜含水量测量、角膜瘢痕成像、蛋白浓度检测和细胞标志物检测等。然而受限于衍射极限存在,THz成像分辨率一般被限制在毫米量级。近场光学成像技术使用空间尺度极小探针直接探测样品表面亚波长尺度细节,可有效突破衍射极限,是实现THz超分辨成像的重要路径。目前,根据探针工作方式的区别,THz近场成像技术可分为孔径探针THz近场成像和散射探针THz近场成像。孔径探针THz近场成像方案需要平衡空间分辨率、截至频率和近场耦合效率之间关系,其成像分辨率仍无法突破至nm量级。散射探针THz近场成像分辨率与探针几何结构和探针-样品表面距离有关,截至目前其成像分辨率可以突破至0.3 nm。本文综述了THz超分辨成像的基本原理及最新进展,围绕孔径探针和散射探针两种主流的THz近场成像技术,详述其在成像原理、成像质量与成像分辨率等方面的突破,并对THz超分辨成像做出总结与展望。图1 THz近场成像及其应用场景孔径探针孔径探针THz近场成像主要利用亚波长结构形成THz辐射源或THz探测器在近场范围内扫描样品表面提升成像空间分辨率。依据孔径类型分类,孔径探针THz近场成像共有四种技术路线,分别是物理孔径、动态孔径、人工表面等离子激元和近场天线。物理孔径探针通常为锥形波导,可以将THz辐射局域成亚波长THz辐射源并扫描样品,提升空间分辨率。其优势在于:结构简单制备容易,可根据THz源设计波导几何结构提升THz耦合效率。图2 锥形物理孔径THz近场成像示意图动态孔径THz成像系统主要有两种实现方式。一种是基于光泵浦方案,该方案激发半导体材料形成特定分布的载流子,进而调制THz空间分布。另一种是基于飞秒激光成丝方案,该方案应用光丝对THz辐射强束缚作用,或是应用交叉光丝,形成动态微孔调制THz空间分布。动态孔径技术优势在于,一方面可以和压缩感知技术结合在保证空间分辨率情况下极大提升成像速度,另一方面基于飞秒激光光丝可以进一步提升成像分辨率至20 μm。图3 交叉光丝形成动态孔径实现THz近场成像人工表面等离子激元器件表面具有周期结构,通过改变材料表面等效介电常数实现THz波近场聚焦。常规调制方案包括金属锥形结构聚焦探针、金属周期结构THz超透镜和石墨烯THz超透镜等;其适用波长范围广、聚焦效率高具有一定的应用前景,尽管目前还处于实验室阶段,但是随着THz器件加工技术逐渐发展,相信在不久的将来其实用性会得到提升。图4 人工表面等离子激元器件实现THz近场成像近场THz天线这是一种微型近场THz探测器,优势为在提升空间分辨率同时能够保证时间分辨率,另一方面THz近场天线可以被集成至片上,拓宽了其使用场景。 图5 近场天线实现THz近场成像散射探针散射探针THz近场成像系统,是通过测量探针与样品表面在外场作用下的近场耦合效应反映样品表面信息。其适用于宽谱THz光源,成像空间分辨率与探针几何结构和探针-样品表面间距有关最高可以达到0.3 nm量级。由于背景散射信号强度远大于近场散射信号强度,散射探针THz近场成像系统主要技术难点在于信号收集与提取。目前,较为成熟的近场散射信号提取技术包括:自零差方案、正交零差方案、伪外差方案和合成光学全息方案等。在保障扫描时间的前提下,伪外差方案成像对比度高且具备相位分辨能力,因此被广泛采用。散射探针THz近场成像系统通常使用扫描隧道显微镜或者原子力显微镜作为提供近场条件的媒介,可将探针针尖与样品表面间距精确控制在20 nm范围内。基于扫描隧道显微镜的散射THz近场成像系统优势:1)其空间分辨率最高可以提升至0.3 nm;2)基于扫描隧道显微镜增强隧穿电流原理,可以增强近场散射信号。缺点:扫描隧道显微镜是通过测量针尖与样品表面隧穿电流实时反馈控制针尖与样品表面间距,故此种方案不适用于不导电样品。图6 基于扫描隧道显微镜搭建的近场成像系统及其一维扫描结果图基于原子力显微镜的散射THz近场成像系统原子力显微镜,因其和扫描隧道显微镜类似,具有卓越的空间分辨能力,是搭建散射探针THz近场成像系统的主力设备,同时能够通过检测针尖与样品之间相互作用反馈控制针尖和样品间距,故该系统可以适用于多种样品。图7 基于原子力显微镜搭建的近场成像系统及其扫描结果图散射探针THz近场成像不仅可以将THz成像分辨率提升至nm量级,还可以被应用于检测样品表面载流子运动。与光学波段和红外波段成像技术相比,有掺杂的半导体或者半金属材料对THz波段更加敏感,因此散射探针THz近场成像技术还被应用在nm量级表征载流子数目和分布情况。 总结与展望随着强THz产生技术和高灵敏THz探测技术的不断发展,超分辨THz成像技术得到了长足发展。孔径探针和散射探针THz成像方案各有侧重,在不同领域得到广泛应用。根据以上总结,从应用角度出发对近场THz成像技术作出展望:(1)成像速度。目前大多数超分辨THz成像方案都是采用逐点扫描模式,尽管成像分辨率得到很大提升,但是成像速度较慢。(2)装置集成化与轻量化。高效的桌面式近场THz成像系统能够助力此项技术得以推广。(3)样品多样性。目前,nm量级THz近场成像技术主要被应用于材料学研究,未来可以充分发挥THz辐射优势,将检测样品扩展至生物大分子甚至活体。(4)大范围成像。未来可以在平衡成像质量与成像速度前提下,实现nm量级大范围样品成像。综上所述,本文概括了超分辨近场成像技术的多个技术指标,分别是空间分辨率、时间分辨率、相位分辨能力、成像速度、成像对比度和装置复杂性。在保证空间分辨率的前提下,提升其他技术指标仍然任重而道远。
  • 6214万 天线近场测试仪重大仪器专项获批
    2013年11月19日,国睿科技股份有限公司发布了关于子公司获得国家重大仪器设备开发专项项目立项批复的公告,公告全文如下:  本公司董事会及全体董事保证本公告内容不存在任何虚假记载、误导性陈述或者重大遗漏,并对其内容的真实性、准确性和完整性承担个别及连带责任。  国睿科技股份有限公司(以下简称公司)的全资子公司南京恩瑞特实业有限公司(以下简称恩瑞特公司)近日收到国家科学技术部的通知,恩瑞特公司牵头申请的项目&ldquo 天线近场测试仪的开发与应用&rdquo 已批准立项。  一、项目概述  项目名称:天线近场测试仪的开发与应用  项目牵头单位:南京恩瑞特实业有限公司  项目起止时间:2013年10月-2017年10月  项目总体目标:研发基于现代天线测量标准的天线近场测试仪,攻克结构动态稳定性、采样点误差补偿、高稳度频率基准等关键技术。通过系统集成,在项目中期,研制形成具有一定功能的天线近场测试仪样机。通过在现代通信、航天航空、星载、导航、雷达等领域应用开发,丰富仪器供能,优化技术方案,形成具有自主知识产权、功能健全、质量稳定可靠的天线近场测试仪。  项目经费预算:总经费6214万元,其中国家专项经费3011万元,公司自筹资金3203万元。根据《关于开展国家重大科学仪器设备开发专项2013年度项目组织工作的函》(国科财函20132号)规定,项目前半段主要由承担单位自筹经费实施,国家专项经费资助10% 通过中期评估确认后,再主要由国家专项经费给予支持。  该项目第一技术支撑单位是中国电子科技集团公司第十四研究所,实施过程中若构成关联交易,公司将及时披露。  二、项目风险提示  1. 项目在工程化实现和市场存在一定的不确定性。  2. 项目建设期较长,存在技术先进性水平变化的风险。  3. 若项目未通过国家中期评估确认,后半段的国家专项经费拨款金额将进行调整。  特此公告。  国睿科技股份有限公司董事会  2013年11月19日
  • 329万!Oxford instruments中标山东大学高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统采购项目
    一、项目编号:SDDX-SDLC-GK-2022025(招标文件编号:SDDX-SDLC-GK-2022025)二、项目名称:山东大学高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统项目三、中标(成交)信息供应商名称:北京壹诺维科技有限公司供应商地址:北京市海淀区中关村南大街12号综合科研楼四层4002室中标(成交)金额:329.6500000(万元)四、主要标的信息序号 供应商名称 货物名称 货物品牌 货物型号 货物数量 货物单价(元)1 北京壹诺维科技有限公司 高分辨多模态近场纳米光学原子力成像系统 Oxford instruments、WITec Jupiter XR、alpha300R 一套 ¥3296500.00
  • 1465万!北京理工大学纳米光谱与成像探测系统、超高速波长调制光学测量系统采购项目
    一、项目基本情况1.项目编号:ZTXY-2023-H21768项目名称:北京理工大学纳米光谱与成像探测系统采购预算金额:700.000000 万元(人民币)最高限价(如有):700.000000 万元(人民币)采购需求:名称数量单位简要技术要求是否接受进口产品北京理工大学纳米光谱与成像探测系统1套采用散射式近场光学(s-SNOM)设计,近场光学空间分辨率与入射光波长无关,在可见光和红外光波段范围内均能够实现光学超分辨成像,光学空间分辨率≤10nm;是 合同履行期限:合同签订后12个月内交货并安装完毕。本项目( 不接受 )联合体投标。2.项目编号:ZTXY-2023-H21769项目名称:北京理工大学超高速波长调制光学测量系统采购预算金额:765.000000 万元(人民币)最高限价(如有):765.000000 万元(人民币)采购需求:名称数量单位简要技术要求是否接受进口产品北京理工大学超高速波长调制光学测量系统1套包括4个模块即激光器主机模块、调频模块、锁频模块以及测量分析模块,需保证模块间的互相协作及集成整合,可针对爆轰反应流场的多物理参数是 合同履行期限:合同签订后6个月内交货并安装完毕。本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间:2023年12月04日 至 2023年12月11日,每天上午8:30至12:00,下午12:00至16:30。(北京时间,法定节假日除外)地点:北京市朝阳区南磨房路37号华腾北搪商务大厦11层1103室(或邮件方式)。方式:现场报名或邮件方式。邮件方式:在本项目招标文件发售截止时间前,将支付标书款凭证发至邮箱baoming_ztxy100@163.com。邮件主题“【北京理工大学超高速波长调制光学测量系统采购】-XXX公司”。邮件内容“【项目信息(项目名称、项目编号),投标人信息(公司全称、统一信用代码),联系人信息(姓名、手机号、电子邮箱)】”以标书款到账时间为准,逾期汇款报名无效(未及时发送报名信息导致的后果,投标人自行承担)。售价:¥500.0 元,本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问,请按以下方式联系。1.采购人信息名 称:北京理工大学     地址:北京市海淀区中关村南大街5号        联系方式:陈老师,010-68912384      2.采购代理机构信息名 称:中天信远国际招投标咨询(北京)有限公司            地 址:北京市朝阳区南磨房路37号华腾北搪商务大厦11层1103室            联系方式:王文姣、王师安、于海龙、成志凯、张静、鲁智慧,010-51908151             3.项目联系方式项目联系人:王师安电 话:  010-51908151
  • 1500万!东南大学理科平台低温散射式扫描近场光学显微镜采购项目
    一、项目基本情况项目编号:0664-2360SUMECTY005D(SEU-ZB-230698)项目名称:东南大学理科平台低温散射式扫描近场光学显微镜采购预算金额:1500.000000 万元(人民币)最高限价(如有):1460.000000 万元(人民币)采购需求:东南大学理科平台采购低温散射式扫描近场光学显微镜1套,主要技术参数:低温散射型扫描近场光学显微镜平台1.1基于低温AFM的无孔径近场扫描显微镜系统。冷却系统需基于一个完全阻尼且封闭循环低温恒温器,保证底板温度 20 K,并集成到光学平台中。通过自动低温恒温器操作来调节,可变温度范围需满足10k T 300k。XY扫描级的开环扫描范围不小于30 × 30µm @ 300K,不小于24 × 24µm @10K。要求低温AFM测量的形貌噪声 1nm (RMS) @10K。1.2低温AFM需基于轻敲模式AFM技术,通过基于轻敲振幅的AFM反馈进行形貌成像。悬臂偏转的读取需基于光学杠杆原理,采用激光二极管反射在悬臂背面,由光象限二极管读取。最高限价:人民币1460万元整(不含外贸代理费)本项目接受进口产品。本项目所属行业:工业。合同履行期限:境外产品:开具信用证后10个月设备安装调试合格。境内产品:自合同签订之日起30天内到货并安装调试合格。本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间:2024年01月02日 至 2024年01月08日,每天上午9:00至11:00,下午14:00至17:00。(北京时间,法定节假日除外)地点:微信公众号“苏美达达天下”方式:在线获取(详见补充事宜)售价:¥600.0 元,本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问,请按以下方式联系。1.采购人信息名 称:东南大学     地址:南京市玄武区四牌楼2号        联系方式:技术咨询:电子科学与工程学院:骆老师 电话:19852843441; 实验室与设备管理处:刘老师 电话:025-83792693      2.采购代理机构信息名 称:苏美达国际技术贸易有限公司            地 址:南京市长江路198号苏美达大厦5楼502室            联系方式:杨 扬 025-84532455、葛晓菲025-84532451            3.项目联系方式项目联系人:葛晓菲电 话:  025-84532451
  • 扫描近场光学显微技术(SNOM)书写的发展史诗
    “扫描近场光学显微技术” 早由科学研究工作者Edward Hutchinson Synge提出。根据观察到的在一定压力下电弧发出的通过孔径仅为100nm的强聚焦平面光,他认为,利用这种小孔径可以使光在样品表面进行逐点扫描成像,同时采集被测量物质的光学信息,并大胆预测这一技术的实现将是照明探测研究领域中的巨大突破。在1956年和1972年,John A.O' Keefe与Ash and Nicholls进一步完善了该理论,并提出小孔探测原件尽可能接近样品表面将有助于该技术的实现。1984年,台利用可见光辐射进行测量的近场光学显微镜由Pohl等制造并使用,该显微镜通过探针在样品表面保持数十纳米的距离采集反馈信息,并在两年后实现了高分辨成像。 然而,传统近场光学显微镜由于瑞利衍射限(Rayleigh limitation),其分辨率不仅受到孔径尺寸的制约,也受到入射光波长1/2的限制。因此,对于sub-um的纳米材料检测成像时,传统近场光学显微镜只能采用有限波长范围的可见光,且难以获得高清图像信息。在中红外领域,近场光学显微技术对纳米结构几乎没有用武之地。 散射式近场光学显微镜利用AFM探针对激光光束聚焦照明,在针附近激发一个纳米尺度的增强近场信号区域。当针接近样品表面时,由于不同物质的介电性质差异,近场光学信息将被改变。通过背景压制技术对采集的散射信号进行解析,就能获取到样品表面的近场光学谱图并进行成像。该技术突破了传统孔径显微的限制,其分辨率仅由AFM探针针的曲率半径决定。 德国Neaspec公司提供的新一代近场光学显微镜NeaSNOM采用了这一散射式技术,高分辨率可达10nm,并通过式的赝外差数据分析模式,同时解析强度和相位信号,解决了纳米材料尤其是在红外光谱范围的近场光学成像难题。 利用赝外差技术实现了近场光学显微镜对强度和相位的同时成像 近五年以来(2011年至今)散射式近场光学显微技术在局域表面等离子激元,无机材料表面波传导,二维材料声子化,近场光电流,半导体载流子浓度,高分子材料鉴别和生物样品成像等领域研究得到了广泛的应用,已然成为推动光学物理、材料应用发展的重要工具。 2016年,A.Y. Nikitin等通过波长10-12μm激发裁剪后的石墨烯纳米谐振器,得到了大量共存的Fabry–Perot mode信息。通过理论分析其两种等离子模式,即sheet plasmon和edge plasmon,发现后者体积仅为激发波长的10^-8倍。并通过理解edge plasmon的原理,可以促进一维量子发射器的开发,等离子激元和声子在中红外太赫兹探测器的研究,纳米图案化拓扑缘体等领域的进一步发展。 文章中5nm厚SiO2上的不同尺寸(394 × 73 nm (a), 360 × 180 nm (b) and 400 × 450 nm (c))石墨烯纳米谐振器,在11.31μm波长下的近场成像 石墨烯由于其特性能被广泛的认可为具发展潜能的下一代光电设备材料,然而其纳米别性能的变化影响了宏观行为,高性能石墨烯光电器件的开发受到了大制约。AchimWoessner等结合红外近场扫描纳米显微镜和电子读取技术,实现了红外激发光电流的成像,并且精度达到了数十纳米别。通过研究边际和晶界对空间载流子浓度和局域热电性质的影响,实验者证明了这一技术对封闭石墨烯器件应用的益处。 近场光电流的工作原理示意图以及中从晶粒间界处得到的光电流实际测量结果 NeaSNOM是市场一款散射型扫描近场光学显微镜,化的散射式核心设计技术,大的提高了光学分辨率,并且不依赖于入射激光的波长,能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内,提供优于10nm空间分辨率的光谱和近场光学图像。 NeaSNOM中嵌入的一系列化探测和发光模块,保证了谱图的可靠性和可重复性,成为纳米光学领域热点研究方向的科研设备。 【NeaSNOM样机体验与技术咨询,请拨打:010-85120280】 相关产品:超高分辨散射式近场光学显微镜:http://www.instrument.com.cn/netshow/C170040.htm纳米傅里叶红外光谱仪:http://www.instrument.com.cn/netshow/C194218.htm
  • 聚焦 | 散射式近场光学技术开创者-Fritz Keilmann教授访问中国科学家
    ● 合作交流为加强与用户的沟通交流,准确把握客户的需求,使产品更好的为科研工作者服务,今秋11月,s-SNOM散射式近场光学技术开创者-慕尼黑大学Fritz Keilmann教授到访中国上海、深圳、广州等地,与中国科学家进行了广泛地探讨合作。Fritz Keilmann教授任职于德国慕尼黑大学(Ludwigs-Maximilians-Universit?t),主要从事红外纳米显微和光谱研究,自本世纪初起与Rainer Hillenbrand(现任教于西班牙nanoGUNE研究中心)等学生研究并实现了散射式近场光学显微镜的开发和搭建工作,而后作为主要奠基人成立了全球知名近场光学设备研发供应企业——德国neaspec公司。此次中国之行,Fritz Keilmann教授先后到访了上海理工大学、广州中山大学等院校的neaspec优质用户,对中国近场技术近年来的长足发展印象深刻,另外,Fritz Keilmann教授还先后参加了深圳先进科学与技术国际会议(报告题目:THz Near Field Mictroscopy),中山大学近场技术研讨会(报告题目:Surface-guide slow light for nanoscopy),与现场老师和同学深入浅出地交换了意见和看法,并获得一致好评。Fritz Keilmann教授也非常期待明年的中国之行可以与更多的学术友人建立广泛的联系和合作。图一:左上:Fritz教授参加深圳先进科学与技术国际会议;右上:Fritz教授参加中山大学近场技术研讨会;左下:Fritz教授和上海理工游老师(庄松林院士团队)及组员合照;右下:Fritz教授参观中山大学陈焕君老师(许宁生院士团队)实验室。● 新品推出 近期,德国neaspec公司又推出了三代散射式近场光学显微镜(简称s-SNOM),其采用的散射式核心设计技术,大的提高了光学分辨率,并且不依赖于入射激光的波长,能够在可见、红外和太赫兹波段范围内,提供优于纳米空间分辨率的显微和光谱测量。目前,三代散射式近场显微镜已成功集合了纳米傅里叶红外(nanoFTIR),针增强拉曼(TERS),纳米超快光谱(nano-ultrafast),纳米太赫兹(nano-THz)等多种功能,并可以提供低温(10K)、超高真空(10-9mBar)等端测量环境,在等离基元、纳米FTIR和太赫兹等众多研究方向上取得了许多重要科研成果。图二:neaspec新近场系统可集成纳米傅里叶红外(FTIR)、纳米超快光谱(ultrafast)、针增强拉曼(TERS)和纳米太赫兹系统(THz)。 【进展参考】 1. 薛孟飞, 陈佳宁. 基于扫描探针技术的超分辨光学成像和谱学研究进展[J].物理, 2019, 48(10):662-676.
  • QD中国建成高分辨率散射型近场光学显微镜(NeaSNOM)样机实验室
    2016年6月30日,Quantum Design中国子公司引进德国Neaspec公司的高分辨率散射型近场光学显微镜(NeaSNOM)样机并完成安装测试。该样机实验室可对相关领域科学研究工作者提供真机体验服务,欢迎广大学者拨打010-85120280,或者致信neaspec@qd-china.com预约体验。Quantum Design中国子公司NeaSNOM近场光学显微镜样机实验室 Neaspec公司的NeaSNOM系统是市场一款散射型扫描近场光学显微镜。其化的散射式核心设计技术,打破了传统光学显微镜对入射激光波长的依赖限制,大的提高了光学分辨率,在可见、红外和太赫兹光谱范围内实现了空间分辨率优于10nm的光谱和近场光学图像的测量。NeaSNOM系统中化的照射、收集模块,确保了近场光学显微镜和谱图的可靠性和可重复性,使其成为了纳米光学领域等离子激元、FTIR和太赫兹等热点方向的科研设备。 NeaSNOM 典型应用案例: 1. 纳米结构等离子激元(Plasmonic)研究 2. Nano-FTIR对纳米结构不同材料组分分析 3. 太赫兹对单个晶体管中载体浓度分布成像 更多信息请点击:http://www.instrument.com.cn/netshow/C170040.htm 相关产品: 纳米傅里叶红外光谱仪 Nano-FTIR---具有10nm空间分辨率的纳米红外光谱仪
  • 散射式近场光学显微镜(neaSNOM)助力有机半导体的分子取向探究
    导读:布拉迪斯拉发先进材料应用中心(Center of Advanced Material Applications in Bratislava)的科研工作者利用对光致各向异性有不同响应的超高分辨散射式近场光学显微镜-neaSNOM,研究了有机半导体薄膜的分子取向与离散分子结构异质性的关系,揭示了分子取向对分子缺陷的影响。在此过程中,作者自创了一种综合利用振幅和相位信号测量分子取向的方法。上图:利用Neaspec设备表征材料得到的s-SNOM结果 文献解析:近年来, 共轭高分子以及小分子在有机电子设备方面的应用受到广泛关注,这是因为相比于无机半导体,它们在以下方面展现了其潜在优势:应用适配性、生物相容性、以及相对简单的制备过程。简单的制备过程也吸引化学家设计并研发了具有各种不同结构和功能基团的共轭分子,以此来满足有机电子设备的需要。而电导率作为重要的功能指标之一,与分子的取向息息相关。考虑到大多数分子都是各向异性的,分子取向将直接影响其光电特性(也就是能量转换效率)和机械特性。而根据具体应用的不同,设备需要一种特定的分子取向以满足其需要,并且此时其他的分子取向会被视为材料的缺陷。也因此,缺陷分析在有机半导体设备的开发与改进工作中,起到了举足轻重的作用。然而,对尺寸小于100 nm缺陷的判定一直是一块未被充分研究与记录的领域。 光学技术是表征分子取向的主要手段。而衍射限的存在限制了其测量精度,致使得到的光学响应信号体现的只是(精度范围内)很多纳米颗粒的平均情况。面对该问题,德国Neaspec公司历经多年研发出散射式近场光学显微镜(scattering-type scanning near-field optical microscopy,s-SNOM)。该设备突破衍射限(优于10 nm空间分辨率)并完成了超高空间分辨率的纳米成像。它能表征薄膜材料的固有纳米晶体结构、局部多晶型、异质性或应变性以及反应分子取向等信息。尽管近些年技术方面的进步日新月异,利用s-SNOM分析分子取向的工作却迟迟没有进展,眼下只有寥寥几篇的相关报告得以被发表。在本文中,作者深入研究了分子取向,并对离散分子结构的异质性做了分析。在此之上,作者观察到了与表面形貌并不相关的定向缺陷。这些缺陷对有机电子系统的功能性产生了直接的影响。 参考文献[1] Nanoimaging of Orientational Defects in Semiconducting Organic Films, [J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2021, 125(17):9229-9235.
  • 红外近场辐射探测及超分辨温度成像
    红外热成像技术通过探测物体自身所发出来的远场红外辐射从而感知表面温度,在军事、民航、安防监控及工业制造等重要领域有着广泛应用。但由于光学衍射极限的限制,红外热成像的分辨率通常在微米尺度及以上,因此无法用于观测纳米尺度的物体。近几年,我们开发了红外被动近场显微成像技术,通过探测物体表面的近场辐射从而极大地突破红外衍射极限限制,将红外温度探测及成像从传统的微米尺度拓展到了纳米尺度。据麦姆斯咨询报道,近期,中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“红外近场辐射探测及超分辨温度成像”为主题的文章。该文章第一作者为朱晓艳,主要从事红外被动近场成像方面的研究工作。本文将围绕扫描噪声显微镜(SNoiM)技术的实验原理及其应用,详细介绍如何通过自主研制的红外被动近场显微镜,突破红外热成像的衍射极限限制,实现纳米级红外温度成像。近场辐射我们首先从黑体辐射的本源入手。如图1(a)所示,绝大多数物体内部都包含大量带正电荷和负电荷的粒子,这些带电粒子永远不会静止不动,而是一直处于随机扰动状态(热运动)。我们所熟知的热辐射就源自物体内部的这种带电粒子热运动,辐射特征可由普朗克黑体辐射定律描述。但鲜为人知地是,物体内的电荷扰动不仅在距离物体辐射波长尺度以外的区域产生红外热辐射(远场辐射),而且在物体近表面处会生成一种能量密度极高的表面扰动电磁波(以倏逝波形式存在),可称之为近场辐射。理论很早就预言了这种表面电磁波(近场辐射)的存在,并发现针对远场辐射所建立的认知及规律(如普朗克辐射定律等)将不再适用于近场辐射,但相关实验研究由于探测难度极高而一直未有明显突破。2009年,美国麻省理工学院和法国CNRS的研究组取得重要进展,先后在实验上验证了纳米尺度下近场辐射热传输效率可远超黑体辐射极限。尽管该实验验证了物体表面近场倏逝波的存在,但相关物理现象仍然缺少更直接的实验手段对其进行更进一步地研究。图1(a)物体表面存在的远场辐射及近场辐射;探针调制技术:(b)当探针远离样品时不会散射物体表面的近场倏逝波、(c)当探针靠近物体近表面时可以散射近场倏逝波;(d)红外被动近场显微镜(SNoiM)的示意图红外被动近场显微镜(SNoiM)的实验原理及其应用SNoiM技术的实验原理物体表面的近场辐射由于其倏逝波特性(即强度随着远离物体表面急剧衰退)而难以探测。在SNoiM中,利用扫描探针技术有效地解决了这一问题。如图1(b)所示,当不引入纳米探针(或探针远离物体表面)时,物体近表面的近场倏逝波无法被探测,该显微镜工作于传统红外热成像模式,即仅获得其远场辐射信号。SNoiM技术的关键是,将探针靠近样品近表面(比如10 nm以内),近场倏逝波可以被针尖有效散射出来。该探测模式下,探测器所获取的样品信号中同时存在近场和远场分量。因此,通过控制探针至物体表面的间距h,即可获得近场、远场混合信号(h 100 nm,称为近场模式)或单一的远场信号(h 100 nm或撤去探针,称为远场模式)。最终,利用探针高度调制及解调技术即可从远场背景中提取物体的近场信息。图1(d)展示了SNoiM系统探测近场信号的示意图。探针所散射的近场信号首先由一个高数值孔径的红外物镜进行收集。但在该过程中,无法消除来自环境、被测物体及仪器自身的远场辐射信号,它们随近场信号一同被红外物镜收集,导致被测物体微弱的近场信号湮没于巨大的远场背景辐射之中。为了最大程度降低远场背景信号,研究人员在红外物镜上方设计了一个孔径极小的共焦孔(约100 μm),通过此共焦结构可以缩小收集光斑,有效抑制背景辐射信号。然而,即使是这样,是否有足够灵敏的红外探测器能够检测到纳米探针所散射的微弱近场信号也是一大难点。为此,本团队研发了一款超高灵敏度红外探测器,攻克了这一技术壁垒。图2(a)展示了首套SNoiM设备实物图。其中,金色圆柱腔体为低温杜瓦,内部搭载了自主研制的超高灵敏度红外探测器(CSIP)及一些低温光学组件;白色方框内为实验室内组装的基于音叉的原子力显微镜(AFM)、红外收集物镜及样品台区域,具体细节参照图2(b)、(c)。红外近场图像的空间分辨率不再受探测波长限制,而是由探针尖端尺寸决定。如图2(b)中插图所示,通过电化学腐蚀方法,可制备出形貌优良的金属(钨)纳米探针,其中,针尖直径可小至100 nm以内。图2(a)红外被动近场显微镜SNoiM的实物图,其中搭载了超高灵敏度红外探测器;(b)AFM及红外收集物镜;插图为通过电化学腐蚀制备的金属(钨)纳米探针;(c)探针与样品的显微照片基于SNoiM的超分辨红外成像研究利用SNoiM技术探测物体表面的近场辐射可极大突破红外衍射极限,实现超分辨红外成像。首先以亚波长金属结构的成像结果为例进行展示。图3(a)为Au薄膜样品在普通光学显微镜下所拍摄的图像。其中,亮金色区域为Au薄膜(约50 nm厚),其他区域为SiO₂衬底。使用SNoiM系统可同时获取该样品的远场和近场红外图像(获取远场图像时只需将探针挪离样品表面)。如图3(b)所示,由于成像波长较长(~ 14 μm),远场红外图像的分辨率远不如普通光学显微图像。比如,Au与衬底(SiO₂)的边界无法清晰区分以及中间细小金属条状结构无法识别等(图中黑色虚线所示)。然而,在相同探测波长下,如图3(c)所示的近场红外图像则展现了超高的空间分辨率,其图像清晰度可完全与普通光学显微镜所获取的图像相比拟。为了进一步理清上述三种显微成像技术的区别,图3示意图中给出了探测到的信号来源:对于光学显微图像,其信号来自于可见光的反射。由于金属的反射能力较强,因而Au上的信号远比SiO₂强。可见光波长范围为400~760 nm,因而光学显微镜可清晰分辨该样品表面的细微结构。远场红外成像不依赖于外界光源照射,直接通过红外物镜收集物体自身所发射出来的辐射信号,并对其进行成像。在探测波长为14 μm情况下,受衍射极限的限制,系统的实际空间分辨率也只有约14 μm。近场红外成像则检测探针尖端所散射的样品表面近场辐射信号,因此不受远场光学衍射极限限制,可获得超分辨红外图像(图3c)。图3 样品Au(SiO₂衬底)的(a)光学显微、(b)远场红外和(c)近场红外的图像及成像原理示意图另外值得注意的一点是,图3(c)所示的红外近场图像不仅仅在分辨率上有所提高,而且在金属与衬底的信号强度对比上出现了明显反转(由远场切换至近场后,Au由弱信号方(蓝色)转变为强信号方(红色))。针对上述现象的解释如下:远场成像时,Au是高反射物体,因此吸收红外光的能力极弱,根据基尔霍夫定律,则其红外发射率也很低。因而远场红外成像中其信号弱于衬底SiO₂;而在近场成像中,室温金属(Au)中的自由电子存在剧烈的热运动(热噪声),从而在金属表面产生极强的表面电磁波,因而Au上的信号远强于SiO₂。由此可见,SNoiM技术不仅突破了红外衍射极限限制,而且能够检测远场显微镜所无法探测的物理过程。基于SNoiM的微观载流子输运及能量耗散可视化研究基于SNoiM技术的另一项创新与突破在于纳米尺度下通电器件中微观载流子输运及局域能量耗散的直接可视化。值得指出,SNoiM所检测的近场辐射信号来自于物体近表面的传导电子,因此其成像结果所反映的是物体表面的局域电子温度(Te)。目前仅SNoiM技术可实现纳米尺度下电子温度分布的直接成像。下面将以通电微小金属线(NiCr合金)为例进行说明。图4 (a)通电金属线显微图像及远场热成像;器件弯折区域分别为(b)凹形、(c)U形的扫描电镜图像及超分辨红外近场热成像图4(a)为NiCr金属线的光学显微图像(上)及其通电后的红外远场热图像(下)。红外远场成像检测通电器件的远场辐射,从而估算出器件的表面温度。比如,器件中心处出现明显热斑,该处温度最高,表明电流流经微小弯曲金属线时能量耗散最大。而受衍射极限限制,远场红外热成像无法分辨微小金属线(宽度约3.3 μm)上不同区域的温度分布,因此无法有效反映微观尺度上载流子的能量耗散特性。与之相比,近场红外热成像则可清晰展示器件中心区域微观载流子的输运及能量耗散行为。如图4(b)所示,当电流经过器件凹形弯折区时,近场红外热成像下,该区域内存在极其不均匀的温度分布,而且在凹形内侧出现显著热斑。该现象表明,通电NiCr器件的凹形区内存在非均匀局部焦耳热,且内侧区域电子能量耗散最大,这是由于电流的拥挤效应所造成的。此外,该温度分布图像似乎表明,通电时,载流子倾向于避开直角拐角处,并趋于沿着U形路径分布。为验证这一猜想,该实验进一步设计了中心区域呈U形弯折的通电NiCr金属线,并对其进行了近场红外热成像表征。图4(c)显示,U形区域温度均匀分布,无明显局域热斑,这表明载流子倾向于沿着U形路径均匀输运。基于SNoiM纳米热分析研究而提出的新设计大大缓解了电流拥挤效应可能对器件造成的局部热损伤,具有重要的指导意义。总结与展望综上,利用SNoiM技术,可以实现物体表面的近场辐射探测及红外超分辨温度成像。该技术是目前国际上唯一能够进行局域电子温度成像的科学仪器,不仅突破了红外远场热成像的衍射极限限制,且首次实现了纳米尺度下通电器件中载流子输运行为与能量耗散的直接可视化。该研究内容均基于第一代室温SNoiM系统,目前,第二代低温SNoiM系统已被成功搭建,有望进一步突破后摩尔时代信息和能源器件的功耗降低及能效提升难题,探索物理新机制,并推动纳米测温技术新的发展。这项研究获得国家自然科学基金优秀青年基金的资助和支持。论文链接:DOI: 10.11972/j.issn.1001-9014.2023.05.001
  • 近场光学显微镜,SiC纳米线发表一篇Nature!
    表面声子极化激元(SPhPs)是由红外光和光学声子之间的耦合产生的,被预测有助于沿极性薄膜和纳米线的热传导。然而,迄今为止的实验工作表明SPhPs的贡献非常有限。近日,美国范德比尔特大学Deyu Li教授研究团队通过测量没有覆盖Au金属层和覆盖了Au金属层的3C-SiC纳米线的样品的热导率,成功证实了SPhPs对其热导率大小的影响。由SPhPs的预衰减所引起的热传导增加甚至超过了兰道尔基于玻色-爱因斯坦分布所预测极限的两个数量级。这进一步揭示了SPhPs对材料热导率的显著影响,也打开了通过SPhPs调节固体中的能量传输的大门。文章以《Remarkable heat conduction mediated by non-equilibrium phonon polaritons 》为题,发表于Nature 期刊上。 本文中,研究者通过分辨率优于10 nm的近场光学显微镜对其手中的两类纳米线进行了表征。其中S1为缺陷较小的纳米线,而S2则为层错较多的纳米线。通过对纳米线进行865 cm-1中红外激光的赝外差成像(SNOM),研究者成功获得了两类纳米线的纳米级相位成像。如下图所示,在层错较多的Sample S2中,SPhPs的传播衰减非常迅速。而在结构缺陷较少的S1, 这种衰减则要小得多。Sample S1: Sample S2: 随后,作者通过将德国Neaspec公司的散射式近场光学显微镜(s-SNOM)和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR联用,沿下图图a中的箭头方向对S1采集了610 - 1400 cm-1波数范围内的光谱。这一范围已经包括了3C-SiC纳米线全部的剩余射线谱带。其中对TO 和 LO 频率的较强振幅反馈和这种反馈沿箭头方向的衰减进一步证明了SPhPs在S1中的存在。以上结果表明层错的存在是使其成为SPhPs散射的决定性因素,而这种因素与温度的变化并不相关,进一步证明了在S1中,SPhPs是导致热导率变化的决定性因素。 值得注意的是,为了测量SNOM和Nano-FTIR,两类纳米线都被放置在了300 nm厚的SiO2薄膜基底上,相比单独存在的纳米线,放在SiO2薄膜基底上的两类样品的SPhPs的传播距离都大大减小,而信号衰减速度大幅增加,这对设备采集信号的信噪比和光学成像的空间分辨率都提出了更高的要求。 文中使用的散射式近场光学显微镜(s-SNOM)和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR能够在10 nm的空间分辨率下实现对材料的红外光谱表征,且得到的光谱能与传统FTIR,ATR-IR的红外光谱一一对应。同时,该技术具有无损伤、无需染色标记、快速且适用性广等优点,为本实验的红外及光学成像等研究起到了关键性作用。 neaspec散射式近场光学显微镜(s-SNOM)及纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR 综上所述,通过使用Neaspec近场光学显微镜,研究者建立并证明了SPhPs传播和材料热导率变化的关联性。也为将来通过SPhPs调节固体材料的热传导提供了可能性。这种调节可以在很多薄膜材料中抵消尺寸效应并改进固态器件的设计。参考文献:[1]. Pan, Z., Lu, G., Li, X. et al. Remarkable heat conduction mediated by non-equilibrium phonon polaritons. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06598-0
  • 科学岛团队单颗粒纳米腔中最终近场增强极限探测研究取得新进展
    近日,中科院合肥物质院健康所杨良保研究员课题组在单颗粒纳米腔中最终近场增强极限的探测方面取得进展,相关成果发表在国际顶级期刊Nano Letters上,并且被选为当期正封面(图1)。   杨良保研究员团队一直从事表面增强拉曼光谱(SERS)检测方法的研究,取得了一系列研究成果。由于SERS检测技术强烈依赖于等离子体场强,在不断创新和发展SERS检测技术过程中,发现纳米尺度下的近场强度分布不均 (Siyu Chen, Liangbao Yang et. al., J. Am. Chem. Soc., 2022, 144,29,13174-13183)。在此研究基础上,团队一直在追求追求使用相邻金属纳米间隙来实现更大的电磁增强,以促进光与物质的相互作用。但纳米间隙的减小会造成量子隧穿效应的出现,这对于 SERS 检测来说是很不利的。因此,对主动控制电子隧穿量子效应的研究非常必要的。   鉴于此,杨良保课题组利用单层h-BN形成的高隧穿势垒主动阻断电子隧穿效应,通过探测单颗粒纳米腔中h-BN本征SERS强度定量探测经典框架内最终的近场增强极限(图2左)。该研究通过热电子隧穿量子计算以及层数依赖的散射光谱实验等,均证明了单层h-BN阻挡了电子隧穿。研究通过SEM-SERS同区域成像获得的最大SERS增强因子,将这些实验结果与经典电磁模型与量子校正模型获得的计算结果进行比较,发现了经典电磁模型确实较好地符合实验数据,实现了经典框架内最终的近场增强极限的探测(图2右)。该工作有助于进一步剖析等离子体增强中的量子力学效应等,为量子等离子体学和纳米隙光动力学提供了重要指导。   该工作的第一作者为健康所2019级博士生陈思雨。该项研究受到中国科学院科研仪器装备开发项目、国家自然科学基金、安徽省自然科学研究项目等资助。图1 Nano letters的正封面图2 (左) 设计了一个独特的纳米腔,用单层 h-BN 作为电子隧穿屏障和 SERS 探针,在埃级尺寸的间隙内,通过 h-BN 本征 SERS 强度探测纳米腔中最终近场增强极限 (右) 实验测量和模拟的体平均 SERS增强因子随间隙大小 (h-BN层数)的变化。
  • 超高分辨近场光学显微镜近期重点科研成果速览
    1. 中国科学院 重庆绿色智能技术研究院 Zhongbo Yang等Near-Field Nanoscopic Terahertz Imaging of Single Proteins. Small. Figure 1. Schematic illustration of the THz s-SNOM setup and its use for single biomolecule imaging. Figure 2. THz near-field signals collected on different substrates. a) Time-domain THz electric field signals, and b) corresponding frequency-domain signals collected on graphene, Au, Si, and mica surfaces, respectively. The signals were demodulated at the second harmonics (2 Ω) of the probe oscillation frequency. c,d) The AFM topography images of graphene and Au substrates with 200 × 200 pixels, respectively. The height scale bars of (c) and (d) are the same. 摘要:太赫兹生物成像因其能以无标记、无创伤和非电离的方式获取样品的物理化学信息而颇受瞩目。但是,低介电常数生物分子的反射率问题,使得单分子精度的太赫兹成像仍是一个挑战。针对于此,作者开发了一种方法,利用石墨烯介导的太赫兹频率散射型扫描近场光学显微镜,对单个蛋白分子直接成像。此项研究发现,拥有较高太赫兹反射率和原子平整度的石墨烯基底可以为蛋白分子提供较高的太赫兹对比度。另外,我们还发现对铂探针的轴长优化能增强太赫兹散射近场信号中的振幅信号强度。基于这两个效应,作者同时获得了尺寸只有数纳米的免疫球蛋白G(IgG)和铁蛋白分子的形貌以及太赫兹散射图像。本文中所用的方法为单生物分子的太赫兹成像提供了新思路。2. 华中科技大学 Chao Chen等Terahertz Nanoimaging and Nanospectroscopy of Chalcogenide Phase-Change Materials. ACS Photonics 2020.Figure 2. THz near-field setup and imaging experiments. (a) Schematics of the THz s-SNOM setup with a bolometer used as a detector. The inset shows an illustration of the finite dipole model for the layered sample. (b) Approach curve, showing the amplitude signal s2 on c-GST as a function of tip–sample distance. The mark h1/e represents the position at which the signal decays to 1/e of its maximum. The inset displays an optical microscope image of the AFM tip above the sample. The red dotted squares mark the c-GST areas. (c) AFM topography image (top panel) of GST on a silicon oxide substrate, which includes amorphous and crystalline states. Near-field amplitude (s2, middle panel) and phase (φ2, bottom panel) images at 1.89 THz. (d) Topography, (e) near-field amplitude, and (f) phase line profiles (shown as solid symbols) taken from the corresponding images in c. The red solid lines are smoothed curves based on the experimental data. Horizontal dashed gray lines are a guide for the eye. 摘要:硫属化物相变材料(PCMs)在太赫兹(THz)频率下会发生光学声子共振现象,这个效应可被用于研究相变的基本特性,并产生很强的介电对比度,使其可被用于太赫兹的光子学应用。在本文中,我们证明可以通过频率可调的太赫兹散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)研究PCM的声子。其具体方法为对包含非晶相和结晶相的PCM样品进行太赫兹纳米光谱成像。我们观察到材料的声子特征使其产生了很强的s-SNOM信号,以及重要的是,非晶态和结晶态PCM的光谱之间存在明显的差异,这使我们可以在纳米尺度上高信度地区分PCM的不同相。我们还发现可以通过增加针的半径来增强以信号强度和频谱对比度为标志的光谱特征。综上所述,我们用太赫兹s-SNOM成功构建了基于局部声子光谱的纳米结构以及化学组成的图谱。3. 中国地质大学-武汉 Zhigao Dai等人Edge-oriented and steerable hyperbolic polaritons in anisotropic van der Waals nanocavities. Nat. Commun..Figure 1. a Schematic diagram of edge-tailored PhPs in α-MoO3. The edge orientation is defined as angle θ with respect to the [001] direction. Green arrows indicate the incident PhPs waves launched by the laser-illuminated (purple curve arrows) AFM tip and reflected by the edge (red line). b Angle-dependent ke isofrequency contour of PhPs in α-MoO3 at ω = 889.8 cm−1. The solid lines and points stand for experimental results concluded from Fig. 1c. The green and black dotted arrows illustrate the incidence wavevector ki and Poynting vector Si, respectively. Generally, ki and Si are non-collinear. The reflected Poynting vector Se (solid arrows) is not parallel to the reflected wavevector ke (different color solid arrows) but antiparallel to Si. σ is the open angle. c Real-space imaging of edge-tailoring PhPs at angle-dependent α-MoO3 edges (length L: 2.5 µm width W: 200 nm sample thickness d: 210 nm, L and W defined in the Ed1). d s-SNOM line traces along the direction perpendicular to the edges in Ed1-Ed5. e Near-field amplitude s(ω) of PhPs on isosceles triangle α-MoO3 nanocavities with bottom edge perpendicular to the [001] crystal direction (height length: 4.33 μm thickness: d = 175 nm) The angles between adjacent sides of the series of triangles with respect to the [001] direction are approximately 7.5°, 15°, 30°, 45°, and 60°, respectively. 摘要:高度受限和低损耗的化子在石墨烯和六方氮化硼上是沿平面各向同性传播的,这使得对光的控制被限制在了有限的自由度内。而以α-MoO3 and V2O5为代表的新兴双轴范德华材料则展现出了特的化传播特性,它们的辅助光轴是在平面上的。利用这种强平面各向异性,作者通过空间纳米成像观测到了α-MoO3纳米腔的图样内有着受边界导向的双曲化子。并且发现边界的夹角和结晶方向对其光学响应信号有着举足轻重的影响,这对调整化图样的参数是至关重要的。基于此,通过调整α-MoO3纳米腔的几何构型,我们观测到了双曲化子会延边界传播并且会调整自身传播方向的特性以及与之对应的化子绕行禁区。而这种双曲化子的寿命和性能指数则受到纳米腔边界宽高比的限制。4. 国防科学技术大学 Jiangyu Zhang 等人Light-induced irreversible structural phase transition in trilayer graphene. Sci. & App..Figure 4. Raman mapping and s-SNOM imaging of the light-induced structural phase transition in MLG. (a) Optical microscopy image of MLG sample #125. (b) AFM image and height profile of graphene. (c) Raman maps of the integrated G peak intensity (position: 1576 cm−1, width: 5 cm−1) before laser irradiation and (d) after laser irradiation. The laser power is 20 mW, and the exposure time is 34 min. (e) s-SNOM image of graphene after laser irradiation. (f) Magnified s-SNOM image of graphene. Graphene domains with different stacking orders show different contrasts in the s-SNOM image. The marked regions I, II, and III correspond to ABC stacking, ABA stacking and mixed ABC + ABA stacking domains, respectively. The red arrows in (e, f) highlight the additional mixed ABC + ABA stacking domains that were not resolved in the Raman maps. (g) Raman spectra of different graphene regions taken from the marked solid dots before laser irradiation and (h) after laser irradiation摘要:晶体结构对相关材料的物理性质有着深刻的影响。因此,即使化学组成相同(比如石墨烯和金刚石),我们也可以通过生成具有特定对称性的晶体,来很大范围内调整它们的特性。而当晶体的结构相可以通过外部刺激动态改变时,更多有意思的可能性出现在了我们面前。这样的材料特性虽不常见,但却能引发很多喜人的现象,例如相变记忆效应。具体到三层石墨烯,它有两种常见的堆叠结构(ABA和ABC),二者都具有特的电子能带结构,并展现出了与众不同的特性。而这两种堆叠结构的三层石墨烯里的畴壁,则展现出了新的迷人的物理效应,比如说量子谷霍尔效应。科研工作者在三层石墨烯的相工程上投入了大量的精力。不过,操纵畴壁以实现对材料局部结构和特性的调控仍然是一个难题。本文通过实验表明,通过激光照射可以实现结构相之间的转换,并在三层石墨烯中构建各种形状的畴壁。这种能够控制畴壁位置和方向的能力,使得我们能够更好地调整石墨烯的局部结构相和特性,并为可定制原子结构,电子以及光学特性的人造二维材料的生成提供了一种简洁且有效的路径。 5. 华中科技大学 Peining Li等人Collective near-field coupling and nonlocal phenomena in infrared-phononic metasurfaces for nano-light canalization. Nat.Commun..Figure 2. Near-field imaging of polariton evolution in a hBN metasurface. a Schematic of the near-field nanoimaging experiment. b, c Near-field images measured at two different frequencies, ω = 1415 cm−1 (HPhP region) and ω = 1510 cm−1 (EPhP region). White arrows indicate the polariton fringes observed on the metasurface. 摘要:通过光子耦合激发和偶物质激发所产生的化子可以沿具有双曲线色散或椭圆色散的各向异性超表面传播。而在双曲线色散与椭圆色散之间的转换过程中(对应拓扑结构的转换),有各种有趣的现象被观测到,比如光子态密度的增强、化子的沟道效应和超透镜效应。在本文中,作者从理论角度和实验角度分别研究了这种拓扑结构的转换,单轴红外声子超表面中的化耦合和其强烈的非局域响应信号,以及六方氮化硼 (hBN) 纳米带的光栅。 通过超高分辨红外10纳米成像,研究者观察到了六方氮化硼中余辉带里合成的横向光学声子的共振(即纳米带强烈的集体性近场耦合),这触发了从双曲线色散向椭圆色散的拓扑转换。作者还表征并可视化了跃迁频率附近深亚波长通道模式的空间演化,该模式作为一种准直化子为超透镜和无衍射传播打下了基础。6. 山西大学 PengjuYang 等人Rational electronic control of carbon dioxide reduction over cobalt oxide. J. Cat..Figure 2. (a) XPS Co 2p of Co3O4 and Co3O4/Al-1(1 wt% Co3O4), (b) XPS Al 2p of Co3O4/Al-1 and Al-1, (c-d) the S-SNOM optical image of Co3O4/Al-1(1 wt% Co3O4) and SNOM amplitude S3 of lines A-E.摘要:选择性地将二氧化碳(CO2)还原为燃料和化学品是通过碳中和发展可持续性能源经济的重点所在。而其中CO2的活化则是重中之重。考虑到电子迁移是这一过程的决速步骤,通过调节CO2还原催化剂的电子结构来增强其活性则显得更为关键。不过,人们对催化剂的电子特性与活性的内在关系的理解还不是很深入,这也限制了高效CO2还原催化剂的有理论支撑的设计。本文中,作者设计了一种以铝作为电子供体的催化剂-缘体-金属系统,并以此来调节氧化钴(Co3O4)催化剂的电子结构。这样,铝中的电子便可以高效地通过一种超薄且自主形成的Al2O3缘层穿入Co3O4。实验和理论结果毫无疑问确证了Co3O4的高电子密度有利于CO2的吸收和活化,并同时降低了COOH的生成能垒,尤其是CO*中间体的解吸能垒,这大大加速了CO2到CO的光还原反应的动力学进程。相比Co3O4,Co3O4/Al2O3-Al中的Co的周转频率要高出很多。其表观量子产率在420纳米处能高达3.8%,这一数字超越了大部分文献中对催化剂的记述。另外,Co3O4 中电子密度的提高也有效地抑制了析氢竞相反应。同时对CO的筛选性也从Co3O4的57.9%提高到了Co3O4/Al2O3-Al的82.4%。值得注意的是,通过控制Al的含量和粒径我们还可以合理调节催化剂的催化效率。综上,该项研究建立了催化剂的电子结构与其对 CO2 还原反应的催化活性之间的联系。并且,作者提出的这种Al2O3-Al结构,还有潜力成为其他非均相催化剂电子效应研究的全新平台。7. 中山大学 Yan Shen等人Pyramid-Shaped Single-Crystalline Nanostructure of Molybdenum with Excellent Mechanical, Electrical, and Optical Properties. ACS Appl. Mater. Interfaces.Figure 6. Optical properties of the pyramid-shaped single-crystalline Mo nanostructures. (a, b) AFM topography and the corresponding optical near–field amplitude (third harmonics, at excitation of 633 nm) images of a typical individual, respectively the insets are the structural models that help to understand this sample’s geometric features. 摘要:特定的几何形貌与改进过的晶体特性对微纳米尺度材料的开发来说是举足轻重的。不过,对于高熔点钼来说,想高质量地生成同时具有单晶特性和预设形貌的结构是很困难的。在本文中,作者通过一种热蒸发技术和与之对应的实验调控,生成了金字塔形的单晶结构钼。而之后细致的材料表征工作则表明其生长机理遵循的是一个包括MoO2分解、Mo 沉积、岛状单晶形成、层状成核和竞争性生长在内的连续性过程。此外,经测量还发现这种生成物有着非常的物理性能。比如通过机械性能的测量,发现纳米结构的钼展现出了远高于其块体材料的纳米压痕硬度、弹性模量和拉伸强度。而在电子特性的测量中,这种材料的单体结构则展现出了非常的电传输特性,其电导能达到约0.16 S。所制备的0.02平方厘米的膜材料展现出了大电流电子发射特性,其大电流达到了33.6毫安,其电流密度则达到了1.68安每平方厘米。同时,通过光学特性的测量,该团队发现这种结构展现了明显的电磁场定位和增强效应,这使其作为基底材料,非常适合应用于表面增强拉曼散射(SERS)。作者还进一步讨论了对应的结构与响应信号之间的关系。文章中提到的,包括微纳米尺度,每个晶粒中所蕴含的单晶特性,以及材料的金字塔形貌在内的,这些纳米结构钼的基础特性,都对其物理特性有着正面的影响。8. 香港理工大学 Xin Hu等人Infrared Nanoimaging of Surface Plasmons in Type-II Dirac Semimetal PtTe2 Nanoribbons. ACS Nano..Figure 6. Near-field images and plasmonic properties of sub-10 nm PtTe2 tapers. (a) Topography of the PtTe2 taper (NT1) with a thickness of 10.4 nm. The inset is the height profile along the white dashed line. (b) Experimental near-field image of NT1 at the laser frequency of 2500 cm–1 (λ0 = 4 μm). (c) Simulated image of the near-field standing-wave pattern corresponding to (b). The standing-wave patterns in the PtTe2 tapers are mimicked by Enf = E0 + r1 exp(2ikspx1) + r2 exp(2ikspx2), where x1 and x2 are the perpendicular distances from an arbitrary point in the taper to its two edges. The propagation constant ksp = (2.264 + 0.884i)k0, supposing the permittivity of the 10.4 nm PtTe2 film is identical to the bulk permittivity, and E0 = 1, r1 = r2 = 0.2. (d) Topography of NT2 with a thickness of 5–7 nm. The inset is the height profile along the black dashed line. (e) Near-field optical image of NT2 at the laser frequency of 1400 cm–1 (λ0 = 7.14 μm). (f) Near-field optical image of NT2 at the laser frequency of 2500 cm–1. The domains in NT2 have different layers (L) ranging from 10L (∼5 nm) to 13L (∼7 nm). All scale bars are 1 μm. 摘要:由二维过渡金属二硫属化物制成的拓扑狄拉克半金属(TMDCs),因其电子传输特性,在电子和光电设备领域的应用得到了广泛的关注。作为具有强层间相互作用的范德华材料,这种半金属被期望可以用于支持尚未被实验证明的层相关等离子体化激元的存在。在本研究中,作者利用近场纳米成像展示了II型铂碲狄拉克半金属(PtTe2)纳米带和纳米薄片中的中红外等离子体波的延迟和衰减。从近场驻波图像中总结出的PtTe2纳米带(厚度为15到25纳米)的等离子体模式衰减色散关系被应用于MIR区的PtTe2介电常数拟合,其结果表明自由载流子和狄拉克费米子都参与了中红外光和物质的相互作用。而对超薄(小于10纳米)PtTe2等离子体模式的湮灭的观察和分析使作者发现是PtTe2与本征层相关的光电特性导致了其无近场共振图像的现象。以上结果为应用TMDC进行MIR区的光电探测和调制铺展了道路。9. 上海微系统所&长春光机所 Weiliang Ma等人Broad spectral tuning of ultra-low-loss polaritons in a van der Waals crystal by intercalation. Nat. Mater..Figure 2. a–c, Near-field amplitude images s3 of an α-V2O5 flake with thickness d = 105 nm at incident frequencies ω0 = 1,031 (a), 1,026 (b) and 1,020 cm−1 (c). Scale bar in c, 2 μm. d–f, Profiles along the [100] (green lines) and [001] (blue lines) directions, extracted from the near-field amplitude images in a–c, respectively. λp[100] and λp[001] are the polariton wavelengths along the [100] and [001] directions, respectively. g, Dispersion of PhPs along the [100] (green symbols) and [001] (blue symbols) directions in the RB1. Grey lines are guides for the eye. Grey shaded areas indicate the spectral regions outside the RB. a.u., arbitrary units.Figure 3. a, Illustration of the α-V2O5 lattice structure (orthorhombic) where the red spheres represent oxygen atoms, the blue atoms represent vanadium atoms, and the blue pyramids show the polyhedral structure defined by the oxygen atoms. The crystal structure consists of bilayers of distorted VO5 pyramids stacked along the [010] direction via vdW interactions (interlayer distance c = 0.44 nm). b, nanoFTIR spectral line scans along the [100] and [001] directions of a α-V2O5 flake showing s3/s3, Au (near-field amplitude s3 normalized on Au, s3,Au) as a function of distance between the tip and the flake edge. Solid horizontal lines mark the approximate transversal optic (TO) phonon modes in α-V2O5 (TO1, 975 cm−1 TO2, 770 cm−1), separating RB1–3. Dashed lines are guides for the eye of signal maxima. The flake thickness is d = 245 nm. c, Illustration of the α’-(Na)V2O5 lattice structure (orthorhombic) where the red spheres represent oxygen atoms, the blue atoms represent vanadium atoms, the yellow atoms represent sodium atoms and the blue pyramids show the polyhedral structure defined by the oxygen atoms. The crystal structure consists of bilayers of distorted VO5 pyramids with sodium atoms intercalated and stacked along the [010] direction via vdW interactions (interlayer distance c = 0.48 nm). d, nanoFTIR spectral line scans along the [100] and [001] directions of a α’-(Na)V2O5 flake showing s3/s3, Au (near-field amplitude s3 normalized on Au, s3,Au) as a function of distance between the tip and the flake edge. The solid horizontal line approximately mark the transversal optic phonon mode in α’-(Na)V2O5 (TO, 950 cm−1), defining RB’1. The flake thickness is d = 150 nm. The scales in the colour bars of b and d are linear.摘要:性范德华晶体中的声子化子——一种光与晶格振动的耦合——是有在纳米尺度上控制能量流动的有力候选者,因为它们有着很强的限制场、各向异性的传播方式和皮秒的超长寿命。不过,它们狭窄且只适用特定材料的光谱响应范围——也就是剩余射线带——大地限制了其技术应用。在此,在α-V2O5范德华半导体中嵌入钠原子,能增宽其剩余射线带,并因此让受激声子化子展现出低的损耗率(寿命为4± 1皮秒),这个数值已经与其在非插层晶体(寿命为6± 1皮秒)中的表现相近。作者预计这种嵌入方法也能被应用于其他范德华晶体,从而提供一种新的利用声子化子增宽中红外区域频谱的方法。10. 中国科学技术大学 Xinzhong ChenMoiré engineering of electronic phenomena in correlated oxides. Nat. Phys..Figure 3. a,b, Infrared near-field image of a curved moiré pattern (a) and the corresponding simulation (b). The simulation is generated by multiplying two periodic striped patterns representing MSs and DSs. The white and black dashed lines in b indicate the MS and DS orientations, respectively. c, Line profiles from the blue dashed lines in a and b, exhibiting high consistency between the experimental and the simulated contrast. a.u., arbitrary units. d,e, Infrared near-field image and corresponding AFM image, respectively, showing alternating moiré and non-moiré regions across the LAO twin boundaries (indicated by red dashed lines). The white solid line in e is the AFM height profile. f, Line profile of the nano-infrared contrast along the blue dashed line in d. The different signal levels are marked ‘C’, ‘D’ and ‘M’, which represent constructively strained, destructively strained and mixed strained regions, respectively. g, Simulation of the image in d with the moiré pattern only visible on the right-hand side. Note that the MSs (orientation indicated by white dashed lines) change orientation across the LAO twin boundary (red dashed line), while the DSs (orientation indicated by black dashed lines) are consistently along the LAO [100] direction. The simulation details are shown in Extended Data Fig. 8c. 摘要:近段时间,摩尔纹工程被视为控制凝聚态系统中量子现象的有效途径。在范德华异质结构中,莫尔纹可以通过相邻原子层之间的晶格错位形成,并因此产生长程电子有序的结构。到目前为止,摩尔工程只在堆叠范德华多层结构上有所应用。而在本文中,作者描述了一种在LaAlO3基底上外延生长的原型性磁阻氧化物薄膜La0.67Sr0.33MnO3中产生的电子摩尔纹。通过扫描探针纳米成像,作者观察到了薄膜中应变调制的两种不同的非公度纹的共存和互相影响所产生的微观摩尔纹。其净效应表现为La0.67Sr0.33MnO3的电子电导率和铁磁性直到细观尺度都会受周期性摩尔纹的调制。我该研究工作为在应力外延材料中获得定制的电子纹理的空间图样开辟了一条潜在的道路。11. 纳米中心 Xiangdong GuoEfficient All-Optical Plasmonic Modulators with Atomically Thin Van Der Waals Heterostructures. Adv. Mater..Figure 2. The all-optical graphene plasmon waveguide modulation with a thickness of only several atomic layers. a) Schematic diagram of band alignment and the physical mechanism of photocarrier transfer in the hole-doped graphene/MoS2 heterostructure under visible light irradiation. b,c) Near-field images of a graphene/MoS2 heterostructure on SiO2 substrate in the b) absence and c) presence of 633 nm laser irradiation (6 mW cm−2). Dashed lines indicate the graphene edge. d) The plasmon signals extracted from the cut-lines (red and blue lines) in (b) and (c), respectively.摘要:全光调制器正越来越受瞩目,这主要是因为它高速度,低损耗,与高带宽的本征特性,使其在未来的信息通讯技术中可以很好地为对应的电气元件做更新换代。但是,其较大的能量消耗与尺寸使得其光子间相互作用较弱,从而阻碍了其在非线性光学上的广泛应用。在本文中,作者通过在石墨烯中掺杂含有光生载流子的单层MoS2生成了原子薄度石墨烯-MoS2异质结构,形成了一种高效全光中红外等离子体波导和自由空间调制器。44 cm-1等离子的调制也通过LED得以呈现,其光强度可以低达0.15 mWcm-1,这一数值比通用的石墨烯非线性全光调制器要低4个数量(≈103 mWcm-2)。异质结构中光生载流子的超高速迁移以及复合的速率使得石墨烯等离子体的超高速调制成为了可能。作者认为,基于范德华异质结构的带有芯片可集成性和深亚波长光场限制性的高效全光中红外等离子体调制器的开发或许向片上全光器件应用的实现迈出了重要的一步。 12. 华中科技大学 Peining Li等人Nanoscale Guiding of Infrared Light with Hyperbolic Volume and Surface Polaritons in van der Waals Material Ribbons. Adv. Mater..Figure 4. Thickness dependence of h-BN waveguide modes. a) Schematics of the experiment. b) Near-field amplitude images s3 of h-BN waveguides of same nominal width w = 1 µm and different thicknesses d at ω = 1430 cm−1. c) Wavevector of the waveguide modes as a function of thickness. Symbols indicate experimental wavevectors measured at the edge (triangles) and at the center (circles) of the waveguide. The solid and dashed lines show wavevectors obtained with the full-wave simulations. The dotted red line is a guide to the eye. The inset shows line profiles from 16 nm thick waveguide at edge (gray) and center (blue) as indicated by arrows in (b). d) Schematic comparison of dielectric and hyperbolic volume waveguide modes near cutoff, when the thickness of the waveguide is decreased. 摘要:范德华(vdW)材料因其所含有的各种化子,成为了新兴的纳米尺度光操纵用材料平台。凭借范德华材料的层状结构,这些化子在薄片当中呈双曲线色散和纳米体制御模式。另一方面,它们在薄片边缘则呈面制御模式。然而令人意想不到的是,这些模式在以典型的线性波导结构为代表的带状材料上的导向正全方位地亟待研究。作者就六方氮化硼带中双曲声子化子的传播方式的研究成果做了详细的报告。通过纳米红外成像,作者观测到了各种模式。尤其是展现出截止宽度的重要的体波导模式。并且有趣的是该截止宽度可以通过降低波导厚度来减小。除此之外,该团队还观察到了具有不同频率和波导宽度的面模式杂化以及演化。而重点是,作者发现对称杂化面模式并没有展现出任何截止宽度,这让任意窄带里的化子都呈线性波导。另外,研究者的实验数据也支持了相关的模拟结果,这为我们在未来的光子器件应用中担当重任的线性波导双曲化子的理解打下了坚实的基础。13. 清华大学 Shuai Wu等Super-Slippery Degraded Black Phosphorus/ Silicon Dioxide Interface. ACS Appl. Mater. Interfaces.Figure 3. Chemical structure of the BP/SiO2 interface. (a) AFM amplitude image and (b) phase image (scale bars: 2 μm) after the motion of the degraded BP flake on the SiO2 substrate. (c) Normalized nano-FTIR phase (φ) spectroscopy plots of the degraded BP surface, residuals on the substrate, and fresh BP flake (exfoliated within 30 min) in the region of 900–1100 cm–1. (d) {1H-31P}1H double CP spectra of the BP/SiO2 sample the first contact time (tCP1) was set to 5 ms, and the variable second contact time (tCP2) is indicated on each spectrum. 摘要:二维(2D)材料与二氧化硅(SiO2)/硅(Si)基底之间的界面,通常被看做是固固机械接触。这在微系统和纳米工程的结构设计与性能优化时,常常会被特别强调。不过,如何理解基于2D材料的系统的界面结构与动力学仍然是一个悬而未决又无法绕过的问题。在本研究中,由于在常态降解时引入了羟基,一层在界面内可流动的水被插入了降解黑鳞(BP)薄片与SiO2/Si基底之间。因此,作者得到了一个滑度高的降解BP/SiO2界面。通过实验测定,其界面剪切应力(ISS)可低达0.029 ± 0.004 MPa,这一数值已可与非公度刚性晶体接触比肩。通过分析核磁共振波谱仪和原位X射线光电子能谱仪进行的结果,该团队发现界面内的液态水的存在是剪切应力低的超高滑度BP/SiO2界面的形成主因。这一发现证明了降解BP和水分子之间存在着强烈的互相影响,并表明纳米BP膜在生物基润滑领域有着广泛的应用潜力。14. 北京理工大学 Tao Yan等人Facile preparation and synergetic energy releasing of nano-Al@RDX@Viton hollow microspheres. Chem. Eng. J..Figure 4. Topography (a) and near-field amplitude image of the microsphere at frequency ω = 923 cm−1 (b), 1131 cm−1 (c) and 1168 cm−1 (d). Line profiles of infrared signal extracted at the position indicated by the red dashed line (e).摘要:为了提高含能材料的反应速率,电喷雾技术被应用于双溶剂法集成纳米铝(nAl)和氟橡胶(Viton)的重结晶环三亚基三硝胺 (RDX)微球的开发。其形貌特征与化学异质性的测试结果表明电喷雾生成的微球是空心的,并有RDX均匀地分布在其中。而且RDX的纳米晶体是紧密地附着在nAl@Viton骨架的两侧的,这增大了不同组分之间的接触面积。另一方面,对微球的热分析则表明,通过减小微球分解的表观活化能,nAl颗粒能够加速能量的释放。实验结果表明电喷雾nAl@RDX@Viton,因其各组分的特征结构和协同作用,比物理混合物具有更短的激光点火延迟和更剧烈的燃烧火焰。15. 上海光机所 Lulu Chen等人Near-field imaging of the multi-resonant mode induced broadband tunable metamaterial Absorber. RSC Adv..Figure 5. (a) Experimental absorptivity of the GST absorber between two states. The black line and red line are for the a-GST and c-GST sample. (b) The simulated spectra for the total and each layer of the c-GST absorber. Inset: the magnetic field distribution at the resonance wavelength. (c–f) Experimental and simulated near-field amplitude |Ez| and phase φz images mapped at the spectral positions C and C1.摘要:具有可调性的超材料吸收器在中红外吸收的应用领域具有广阔的前景。虽然研究者们提出了各种控制吸收的方法,如何深入分析和呈现吸收机制的物理图像仍是值得期待且有意义的。在本文中,作者利用近场光学显微镜展示了多谐振模式诱导下的带宽可调超材料吸收器的实验空间近场分布。该吸收器由双倍尺寸的单元结构与金属镜片构成,二者由Ge2Sb2Te5 (GST)薄垫片加以分割。为了获得清晰的物理图像,作者利用由四个方形谐振器组成的混合单元结构,在 7.8 μm 和 8.3 μm 处产生两个吸收峰。当GST薄膜从非晶态转变为晶态时,共振的中心波长呈现红移趋势。而无论GST处于那种相态,我们都分别在其吸收频率下观察到了吸收器产生的近场振幅和相位的光学信号。综上,本研究为光学可调吸收的控制打下了科学理论的基础,并展现了其潜在的应用前景。16. 中国科学技术大学 Wenhao Zhang and Yuhang ChenVisibility of subsurface nanostructures in scattering-type scanning near-field optical microscopy imaging. Opt. Expr..Figure 1. (a) Schematic illustration of the experimental s-SNOM setup for investigating the visibility of buried structures in a multilayered architecture. The underneath structures are patterned on a metal film and they are covered with a thin polymer layer. A pseudoheterodyne detection method is employed to obtain background-free near-field optical signal. (b) Schematic illustration of the dipole model for a simple theoretical analysis.Figure 7. Subsurface nano-imaging by s-SNOM. The sample is a patterned silicon substrate covered by the glue from a double-side tape. (a) Topography. (b) The third harmonic s-SNOM amplitude. The inset is a zoomed view of the area sketched by the dashed rectangle. (c) Sectional profiles of the topography and amplitude images. The two profiles are taken from the same position as guided by the dashed line in topography. 摘要:以纳米分辨率探测被膜材料覆盖的结构有着很高的重要性。在本研究中,作者用散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)探索了影响面下材料对比度和结构可见度的因素。作者生成了一种包含不同掩埋结构的多层结构参考样品,用来做s-SNOM成像。还研究了近场光学对比度对结构几何形状、尺寸和覆盖层厚度的影响。结果表明区分掩埋狭缝图样比具有相同临界尺寸的圆孔更容易。s-SNOM能够在100多纳米厚的聚基丙烯酸酯层下感知材料之间的差异,其面下空间分辨率可以好过100纳米。17. 华中科技大学 Dong Wei等人Optical modulator based on the coupling effect of different surface plasmon modes excited on the metasurface. Opt. Mater. Expr..Figure 6. SEM, AFM and near-field lightwave intensity distribution of the NRANC metasurface. (a) SEM images of a metasurface sample, (b) near-field lightwave intensity distribution on the sample, (c) near-field lightwave intensity distribution along red dashed line. The white dashed lines are the outlines of the nano-apertures. The red dotted line is the trendline of the electric intensity distribution curve. (d) AFM image of the metasurface sample. 摘要:作者设计并生成了一种由带中央纳米柱的纳米脊孔阵列(NRANC)构成的超表面光学调制器。研究者还细致地研究了,分布在纳米脊孔的每个纳米点和中央纳米圆柱外缘上的局域表面等离子体(LSPs),与在周期性超表面上生成的表面等离子体激元(SPPs),这二者之间的耦合效应。这种锥形结构可用于入射能量的集中与局部光场的增强。而在其上的感应电偶子则可以调节反射或透射特性。这种在NRANC 上形成的LSPs的耦合效应将增强表面感应电偶子,并进一步调节NRANC的光学特性。通过改变超表面的几何参数,可以调整LSPs模式的谐振频率,并观察到透射峰的平移,以及让增强因数达到1.4×103。另一方面,LSPs和SPPs之间的耦合则会激发法诺共振。在可见光和红外范围内调整照射激光的入射角则能调节SPPs的激发,并因此引起相对较大的透射光谱变化。于是通过进行近场光学测量,可以观察到包括表面感应电荷信息在内的近场光学特性,以及在45°入射的633纳米TM激光照射下的一个小(x方向上,约96纳米)且亮的热点。综上,作者研究中构建的NRANC超表面突出了其在类似彩色滤光片、反射镜、表面增强拉曼等方面的潜在应用前景。
  • Nature Nanotechnology:范德瓦尔斯量子阱子带跃迁的近场纳米成像研究
    几十年来,半导体异质结生长技术的不断进步驱动着电子和光电子科学研究和技术应用的不断发展。红外和太赫兹波段的许多应用利用了半导体量子阱中量子化状态间的跃迁(子带间跃迁)。然而,目前的传统量子阱器件在功能和应用上都受限于对散射界面以及晶格匹配生长条件的苛刻要求。可喜的是:近期西班牙巴塞罗那科学技术研究所Frank H. L. Koppens教授团队将量子阱子带间跃迁的概念引入到范德瓦尔斯层状材料中,提出了范德瓦尔斯量子阱子带跃迁。范德瓦尔斯量子阱天然形成于二维材料之中,得益于二维材料的原子清晰界面和异质结简易转移堆叠技术,范德瓦尔斯量子阱在克服散射界面限制和晶格匹配生长条件限制上拥有巨大潜力。作者利用德国neaspec公司的近场光学显微镜(neaSNOM, s-SNOM)以低于20 nm的空间分辨率实现了WSe2薄层量子阱子带吸收共振的近场光学纳米成像。并且,通过改变照明光子能量,作者实现了对不同厚度范德瓦尔斯量子阱的光谱方式分辨。此外,作者通过静电调控WSe2中的载流子浓度实现了对量子阱子带吸收强度的原位控制。后,作者在单个WSe2器件的价带和导带均实现了量子阱子带吸收,证明了二维材料子带吸收跃迁的普遍性。这项工作使得我们能够以单的电学或光学控制来实现二维材料量子阱子带跃迁,并且以全新的视角来设计新型的光电探测器、发光二管和激光光源等。该工作同时也证明了利用近场局域探针实现纳米尺度二维材料量子阱子带吸收共振光谱方式分辨的可行性。该工作近期发表在纳米领域杂志Nature Nanotechnology上,并作为封面刊出。图1:Nature Nanotechnology 2018年11月 13卷 11期封面艺术想象图为由层状TMD形成的光激发范德瓦尔斯层状结构 图2: 层状WSe2薄片红外吸收测量装置示意图和测量结果a) s-SNOM实验测量示意图; b) a图中虚线所示区域三阶谐振复合散射光信号值空间图,可以看到散射信号值随层数单调增加; c) 5层区域三阶谐振复合散射信号相位值(正比于样品的光学吸收强度)随背栅电压变化时域图,Eph=117meV;d) 不同层数区域散射信号相位值横截线,Eph=117meV;e) Eph=117meV入射光下,三阶谐振复合散射信号相位空间图,即空间吸收图;f)改变入射光能量为Eph=165meV,三阶谐振复合散射信号相位空间图。德国neaspec公司散射式近场光学显微镜(s-SNOM)具有的伪外差探测模块,可以利用参考镜对近场信号进行相位解调,从而实现强度(反射)和相位(吸收)的同时采集和成像。该研究小组通过德国neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM配合可调谐中红外QCL激光器,对具有不同厚度的WSe2薄片进行了近场光学成像研究。从近场光学成像相位图(图2e和2f)中可以看出,对于117mV的光子能量,1层和5层区域表现出明显的吸收现象,而对于165 meV的光子能量,只有4层区域表现出明显的吸收现象。结合理论计算,作者发现,4层和5层WSe2量子阱空穴子带跃迁的能量分别靠近165meV和117meV的光子能量,所以它们的空间吸收图是观察到范德瓦尔斯量子阱子带跃迁的直接证据,而单层区域的显著吸收行为则来源于Drude吸收机制。通过改变背栅电压,作者发现吸收系数和载流子浓度呈正相关,并且在导带和价带均观察到了子带跃迁行为。该发现证明了设计基于范德瓦尔斯量子阱的红外探测器和激光光源的物理和技术可行性。同时,该研究也展示了德国neaspec公司的散射型近场光学显微镜在二维材料光学研究中的广阔应用前景。目前,Quantum Design中国北京实验室的德国neaspec超高分辨散射式近场光学显微镜neaSNOM设备,可提供8-11μm s-SNOM的成像功能以及650-2200cm?1 nanoFTIR近场光学光谱功能,为广大科研工作者提供更好的测试体验和技术支持。参考文献:Nano-imaging of intersubband transitions in van der Waals quantum wells, Nat. Nanotech. 13, 1035–1041(2018).In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal, Nature. 562, 557–562 (2018).
  • 一文了解|红外近场辐射探测及超分辨温度成像
    红外热成像技术通过探测物体自身所发出来的远场红外辐射从而感知表面温度,在军事、民航、安防监控及工业制造等重要领域有着广泛应用。但由于光学衍射极限的限制,红外热成像的分辨率通常在微米尺度及以上,因此无法用于观测纳米尺度的物体。近几年,我们开发了红外被动近场显微成像技术,通过探测物体表面的近场辐射从而极大地突破红外衍射极限限制,将红外温度探测及成像从传统的微米尺度拓展到了纳米尺度。本文将介绍红外被动近场显微成像技术的基本原理,以及基于此可实现的物体表面近场辐射探测与红外超分辨温度成像研究。近场辐射我们首先从黑体辐射的本源入手。如图1(a)所示,绝大多数物体内部都包含大量带正电荷和负电荷的粒子,这些带电粒子永远不会静止不动,而是一直处于随机扰动状态(热运动)。我们所熟知的热辐射就源自物体内部的这种带电粒子热运动,辐射特征可由普朗克黑体辐射定律描述。但鲜为人知的是,物体内的电荷扰动不仅在距离物体辐射波长尺度以外的区域产生红外热辐射(远场辐射),而且在物体近表面处会生成一种能量密度极高的表面扰动电磁波(以倏逝波形式存在),可称之近场辐射。理论很早就预言了这种表面电磁波(近场辐射)的存在,并发现针对远场辐射所建立的认知及规律(如普朗克辐射定律等)将不再适用于近场辐射,但相关实验研究由于探测难度极高而一直未有明显突破。2009年,美国麻省理工学院和法国CNRS的研究组取得重要进展,先后在实验上验证了纳米尺度下近场辐射热传输效率可远超黑体辐射极限。尽管该实验验证了物体表面近场倏逝波的存在,但相关物理现象仍然缺少更直接的实验手段对其进行更进一步的研究。图1 物体表面存在的近场辐射及其探测方式 (a)物体表面存在的远场辐射及近场辐射;探针调制技术:(b)当探针远离样品时不会散射物体表面的近场倏逝波、(c)当探针靠近物体近表面时可以散射近场倏逝波;(d)红外被动近场显微镜(SNoiM)的示意图红外被动近场显微镜(SNoiM)的实验原理及其应用SNoiM技术的实验原理物体表面的近场辐射由于其倏逝波特性(即强度随着远离物体表面急剧衰退)而难以探测。在SNoiM中,利用扫描探针技术有效地解决了这一问题。如图1(b)所示,当不引入纳米探针(或探针远离物体表面)时,物体近表面的近场倏逝波无法被探测,该显微镜工作于传统红外热成像模式,即仅获得其远场辐射信号。SNoiM技术的关键是,将探针靠近样品近表面(比如10 nm以内),近场倏逝波可以被针尖有效散射出来。该探测模式下,探测器所获取的样品信号中同时存在近场和远场分量。因此,通过控制探针至物体表面的间距,即可获得近场、远场混合信号( 100 nm,称为近场模式)或单一的远场信号( 100 nm或撤去探针,称为远场模式)。最终,利用探针高度调制及解调技术即可从远场背景中提取物体的近场信息。图1(d)展示了SNoiM系统探测近场信号的示意图。探针所散射的近场信号首先由一个高数值孔径的红外物镜进行收集。但在该过程中,无法消除来自环境、被测物体及仪器自身的远场辐射信号,它们随近场信号一同被红外物镜收集,导致被测物体微弱的近场信号湮没于巨大的远场背景辐射之中。为了最大程度降低远场背景信号,研究人员在红外物镜上方设计了一个孔径极小的共焦孔(约100 μm),通过此共焦结构可以缩小收集的光斑,有效抑制背景辐射信号。然而,即使是这样,是否有足够灵敏的红外探测器能够检测到纳米探针所散射的微弱近场信号也是一大难点。为此,本团队研发了一款超高灵敏度红外探测器,攻克了这一技术壁垒。图2(a)展示了首套SNoiM设备实物图。其中,金色圆柱腔体为低温杜瓦,内部搭载了自主研制的超高灵敏度红外探测器(CSIP)及一些低温光学组件;白色方框内为实验室内组装的基于音叉的原子力显微镜(AFM)、红外收集物镜及样品台区域,具体细节参照图2(b)、(c)。红外近场图像的空间分辨率不再受探测波长限制,而是由探针尖端尺寸决定。如图2(b)中插图所示,通过电化学腐蚀方法,可制备出形貌优良的金属(钨)纳米探针,其中,针尖直径可小至100 nm以内。图2 红外被动近场显微镜SNoiM的实物图(a) 红外被动近场显微镜SNoiM的实物图,其中搭载了超高灵敏度红外探测器;(b)AFM及红外收集物镜;插图为通过电化学腐蚀制备的金属(钨)纳米探针;(c)探针与样品的显微照片基于SNoiM的超分辨红外成像研究利用SNoiM技术探测物体表面的近场辐射可极大突破红外衍射极限,实现超分辨红外成像。首先以亚波长金属结构的成像结果为例进行展示。图3(a)为Au薄膜样品在普通光学显微镜下所拍摄的图像。其中,亮金色区域为Au薄膜(约50 nm厚),其他区域为SiO2衬底。使用SNoiM系统可同时获取该样品的远场和近场红外图像(获取远场图像时只需将探针挪离样品表面)。如图3(b)所示,由于成像波长较长( ~ 14 μm),远场红外图像的分辨率远不如普通光学显微图像。比如,Au与衬底(SiO2)的边界无法清晰区分以及中间细小金属条状结构无法识别等(图中黑色虚线所示)。然而,在相同探测波长下,如图3(c)所示的近场红外图像则展现了超高的空间分辨率,其图像清晰度可完全与普通光学显微镜所获取的图像相比拟。为了进一步理清上述三种显微成像技术的区别,图3示意图中给出了探测到的信号来源:对于光学显微图像,其信号来自于可见光的反射。由于金属的反射能力较强,因而Au上的信号远比SiO2强。可见光波长范围为400~760 nm,因而光学显微镜可清晰分辨该样品表面的细微结构。远场红外成像不依赖于外界光源照射,直接通过红外物镜收集物体自身所发射出来的辐射信号,并对其进行成像。在探测波长为14μm情况下,受衍射极限的限制,系统的实际空间分辨率也只有约14μm。近场红外成像则检测探针尖端所散射的样品表面近场辐射信号,因此不受远场光学衍射极限限制,可获得超分辨红外图像(图3c)。图3 样品Au(SiO2衬底)的几种显微图像及成像原理示意图:(a)光学显微、(b)远场红外和(c)近场红外另外,值得注意的一点是,图3(c)所示的红外近场图像不仅仅在分辨率上有所提高,而且在金属与衬底的信号强度对比上出现了明显反转(由远场切换至近场后,Au由弱信号方(蓝色)转变为强信号方(红色))。针对上述现象的解释如下:远场成像时,Au是高反射物体,因此吸收红外光的能力极弱,根据基尔霍夫定律,则其红外发射率也很低。因而远场红外成像中其信号弱于衬底SiO2;而在近场成像中,室温金属(Au)中的自由电子存在剧烈的热运动(热噪声),从而在金属表面产生极强的表面电磁波,因而Au上的信号远强于SiO2。由此可见,SNoiM技术不仅突破了红外衍射极限限制,而且能够检测远场显微镜所无法探测的物理过程。基于SNoiM的微观载流子输运及能量耗散可视化研究基于SNoiM技术的另一项创新与突破在于纳米尺度下通电器件中微观载流子输运及局域能量耗散的直接可视化。值得指出,SNoiM所检测的近场辐射信号来自于物体近表面的传导电子,因此其成像结果所反映的是物体表面的局域电子温度(Te)。目前仅SNoiM技术可实现纳米尺度下电子温度分布的直接成像。下面将以通电微小金属线(NiCr合金)为例进行说明。图4(a)为NiCr金属线的光学显微图像(上)及其通电后的红外远场热图像(下)。红外远场成像检测通电器件的远场辐射,从而估算出器件的表面温度。比如,器件中心处出现明显热斑,该处温度最高,表明电流流经微小弯曲金属线时能量耗散最大。而受衍射极限限制,远场红外热成像无法分辨微小金属线(宽度约3.3 μm)上不同区域的温度分布,因此无法有效反映微观尺度上载流子的能量耗散特性。与之相比,近场红外热成像则可清晰展示器件中心区域微观载流子的输运及能量耗散行为。如图4(b)所示,当电流经过器件凹形弯折区时,近场红外热成像下,该区域内存在极其不均匀的温度分布,而且在凹形内侧出现显著热斑。该现象表明,通电NiCr器件的凹形区内存在非均匀局部焦耳热,且内侧区域电子能量耗散最大,这是由于电流的拥挤效应所造成的。此外,该温度分布图像似乎表明,通电时,载流子倾向于避开直角拐角处,并趋于沿着U形路径分布。为验证这一猜想,该实验进一步设计了中心区域呈U形弯折的通电NiCr金属线,并对其进行了近场红外热成像表征。图4(c)显示,U形区域温度均匀分布,无明显局域热斑,这表明载流子倾向于沿着U形路径均匀输运。基于SNoiM纳米热分析研究而提出的新设计大大缓解了电流拥挤效应可能对器件造成的局部热损伤,具有重要的指导意义。图4 NiCr金属线在不同测试模式下的红外热成像结果:(a)通电金属线显微图像及远场热成像;器件弯折区域分别为(b)凹形、(c)U形的扫描电镜图像及超分辨红外近场热成像
  • 国科大在近场光学邻近效应研究中获进展
    表面等离子体光刻(Plasmonic lithography)作为一种近场成像技术,具有可打破衍射极限的特性,能够为发展高分辨率、低成本、高效、大面积纳米光刻技术提供重要方法和技术途径,是下一代光刻技术的主要候选方案之一。目前,虽然已通过实验验证表面等离子体光刻可以满足微纳制造领域对14 nm及以下技术节点分辨率的要求,但随着集成电路特征尺寸的进一步缩小,严重的近场光学邻近效应(Near-field optical proximity effect,near-field OPE)不仅会降低曝光图形的分辨率,而且会增大曝光图形的失真现象,造成纳米器件物理性能及电学特性的偏差,进而影响到产品的功能和成品率,限制了表面等离子体光刻技术的实际应用性。为满足集成电路中对纳米结构器件的尺寸及质量的高性能要求,有效地解决表面等离子体光刻技术中存在的near-field OPE问题,中国科学院大学集成电路学院教授韦亚一课题组通过对表面等离子体光刻特有的近场增强效应进行定量表征,从物理根源上揭示了near-field OPE的产生机理,以及倏逝波(Evanescent waves)复杂的衰减特性和场分布的不对称性对曝光图形边缘特征尺寸的影响,并从光刻参数与表征光刻图形保真度的指标之间的数学关系出发,通过对曝光剂量和目标图形的联合优化,提出了基于倏逝波场强衰减特性进行空间调制的近场光学邻近效应矫正(Near-field optical proximity correction,OPC)的优化方法。相比于传统的OPC优化方法,该方法能够实现对近场高频倏逝波信息的空间调制,可提高优化自由度,能够更有效地提高表面等离子体光刻系统的成像及曝光图形质量,为批量生产低成本、高分辨率和高保真度的任意二维纳米图形奠定了技术基础,并为微纳米光刻加工技术的发展提供了理论支持。 3月30日,相关研究成果以Enhancement of pattern quality in maskless plasmonic lithography via spatial loss modulationh为题,发表在Microsystems & Nanoengineering上。研究工作得到中科院和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目的支持。
  • Science:范德华材料的近场纳米成像研究
    近年来,随着石墨烯及其优异的光、电等性质的不断发现,二维层状材料成为了目前材料领域的研究热点,受到了国内外研究者的广泛关注。其二维层状材料的层内以强的共价键或离子键结合而成,而层与层之间依靠弱的范德华力堆叠在一起形成一类新型材料。由于层间弱的相互作用力,在外力的作用下,层与层很容易相互剥离,从而可以形成二维层状材料。进一步,二维层状材料在晶格不匹配和方法不兼容的情况下,也非常容易和截然不同的原子层混合和匹配,从而衍生出许多范德华异质结构。 范德华(Van der waals)材料即上述具有范德华异质结构的材料,它由弱的范德华吸引力结合的单个原子平面组成。它们显示出几乎所有在固体中发现的光学现象: 包括金属中典型的自由电子等离子体振荡,半导体中的发光/激光和激子,以及缘体中典型的强烈声子谐振。这些现象体现在被称为化激元-激发的有限光物质混合模式中。当光处于远小于其波长的纳米尺度下时,能增强相应的电场强度,导致光与物质相互作用增强,从而表现出强的非线性、作用力增大和发射/吸收增强。由金属中的电子作用形成的表面等离子激元,成了近年来研究中为突出例子。然而,还有许多其他类型的激元,包括性缘体中的声子振动,半导体激子,超导体中的Cooper对以及(反)铁磁体中的自旋谐振形成的激元。 范德华材料中各种激元种类 范德华材料拥有一整套不同的激元种类,在所有已知材料中的具有高的自由度。德国neaspec公司提供的先进近场成像方法(s-SNOM)允许化波在范德华层或多层异质结构中传播时被激发和可视化,从而被广泛应用到范德华材料激元的研究中,为研究人员对范德华材料体系中激元的激发、传播、调控等研究提供了有力的工具。另一方面,范德华材料系统中激元的优点是它们具有的电可调性。此外,在由不同的范德华层构成的异质结构中,不同种类的激元相互作用,从而可以在原子尺度上实现激元的控制。德国neaspec公司提供的纳米光谱(nano-FTIR)和纳米成像成功被研究人员用于激元的调控等研究中,通过实验证实,研究人员已经成功开启了操控激元相关纳米光学现象的多种途径。 范德华材料中激元的先进近场光学可视化成像研究 研究人员对不同的金属、半导体和缘体等范德华材料中异质结构的新奇性能进行探索,促进了对光探测器、光伏器件、LED等电子器件设计的革新,并赋予这些器件诸多意想不到的特功能。同时,德国neaspec公司也伴随国内外广大研究人员的脚步,不断升改进其近场光学成像的功能,在其先进的近场光学成像(s-SNOM)和纳米光谱研究(Nano-FTIR)的基础上,不断拓展出例如TDS-THz纳米成像、针增强拉曼(TERS)、光诱导成像等新的技术,从而为广大研究人员提供强有力的研究工具和技术支持。参考文献 Basov,D. N et. al Polaritons in van der Waals materials, Science,354, aag1992 (2016). DOI: 10.1126/science.aag1992 相关产品链接太赫兹近场光学显微镜 — THz-NeaSNOM http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C270098.htm德国Neaspec纳米傅里叶红外光谱仪 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C194218.htm超高分辨散射式近场光学显微镜 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C170040.htm
  • 科学家开发出一种多功能近场显微镜平台,可在高磁场和液氦温度以下工作
    重大的科学突破往往是由新技术和仪器实现的。一种新型的近场光学显微镜,在极端温度和磁场下具有高分辨率成像,可以为量子计算技术和拓扑研究做到这一点。Kim等人提出了一种sub-2开尔文低温磁赫兹散射型扫描近场光学显微镜(cm-THz-sSNOM)。太赫兹sSNOM成像使用照射在小金属尖端上的300微米波长光在纳米尺度上绘制材料,允许以深亚波长,20纳米空间精度测量局部材料特性 - 比所用光的波长小15,000倍。经过几年的努力,研究人员能够展示出一种改进的sSNOM平台,该平台在极端操作条件下具有无与伦比的分辨率能力。“我们在空间,时间和能量方面提高了分辨率,”作者Jigang Wang说。“我们还同时改进了在极低温度和高磁场下的操作。显微镜是通过测量超导体和拓扑半金属来展示的。结果显示了在1特斯拉磁场中9.5开尔文的第一个高分辨率sSNOM图像。显微镜可以帮助开发具有更长相干时间的新量子比特 - 目前受到材料和界面缺陷的限制 - 并提高对拓扑材料基本性质的理解。“重要的是成像到十亿分之一米,千万亿分之一秒和每秒数万亿个光波,以便能够选择更好的材料并指导量子和拓扑电路的制造,”王说。尽管显微镜已经展示了破纪录的测量结果,但研究人员的目标是通过提高灵敏度并使SUV大小的显微镜更加用户友好来进一步改进仪器。相关文章:“A sub-2 kelvin cryogenic magneto-terahertz scattering-type scanning near-field optical microscope (cm-THz-sSNOM),” by R. H. J. Kim, J.-M. Park, S. J. Haeuser, L. Luo, and J. Wang, Review of Scientific Instruments (2023). The article can be accessed at https://doi.org/10.1063/5.0130680.文章展示了研究人员开发的一种多功能近场显微镜平台,可以在高磁场和液氦温度以下工作。研究人员使用该平台演示了极端太赫兹(THz)纳米显微镜的操作,并在低至1.8 K的温度、高达5 T的磁场和0–2 THz的操作下获得了第一个低温磁太赫兹时域纳米光谱/成像。低温磁太赫兹散射型扫描近场光学显微镜(或cm THz-sSNOM)仪器由三个主要设备组成:(i)带有定制插件的5T分对磁低温恒温器,(ii)能够接受超快THz激发的定制sSNOM仪器,以及(iii)MHz重复率,用于宽带太赫兹脉冲产生和灵敏检测的飞秒激光放大器。应用cm THz sSNOM来获得超导体和拓扑半金属的原理测量证明。这些新能力为研究需要极端低温操作环境和/或在纳米空间、飞秒时间和太赫兹能量尺度上施加磁场的量子材料提供了突破。
  • 纳米级近场光学成像对钙钛矿太阳能电池表面涂层电子迁移和载流子浓度的研究进展
    太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置, 其中以光电效应工作的晶硅太阳能电池为主流。虽然通过掺杂及表面覆盖抗光反射层能提高晶硅太阳能电池的效率,但是超过能带间隙和一些特定波长的光反射造成了巨大的光能量损失,反而限制了晶硅太阳能电池的效率。 Y.H. Wang等利用有机金属三溴纳米粒子(CH3NH3PbBr3)涂层吸收部分短波长太阳光,使其转化成化电场。该化电场可以通过促进分子重排而增强有机-晶硅异质结太阳能电池的不对称性,从而增加表面活性载流子密度,终将有机-晶硅异质结太阳能电池的效率从12.7%提高到了14.3%。 苏州大学Q.L. Bao教授等人在钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为和载流子浓度分布等领域作出了突出贡献。2016年,发表在ACS Nano上的钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为的研究中,作者利用neaspec公司的近场光学显微镜neaSNOM发现:1. 未施加外场电压时, 该微纳米线区域中载流子密度(图1 g. s-SNOM振幅信号)和光折射率(图1 g. s-SNOM相位信号)较均匀;2. 施加外场正电压时,该区域中载流子密度随I-离子(Br?)的迁移而向右移动(图1 h. s-SNOM振幅信号),其光折射率随随MA+离子(CH3NH3+)的迁移而向左移动(图1 g. s-SNOM相位信号)较均匀;3. 施加外场负压时,情况正好与施加正电压时相反(图1 i)。该研究显示弄清无机-有机钙钛矿结构中的离子迁移行为对于了解钙钛矿基的特殊光电行为具有重要意义,进而为无机-有机钙钛矿材料的光电器件应用打下了坚实的基础。图1.SNOM测量钙钛矿结构微纳米线的光电转换的离子迁移行为。 d-f. 离子迁移测量示意图;g-i,相应的s-SNOM光学信号振幅和相位图 2017年, Q.L. Bao教授等人发表在AdvanceMaterials的文章中再次利用neaspec公司的近场光学显微镜neaSNOM,次在实验中研究了太阳能电池表面钙钛矿纳米粒子涂层的载流子密度。结果显示:钙钛矿纳米粒子覆盖区域近场信号强度高于Si/SiO2区域中信号强度(参见下图2 b 图2 a为对应区域的形貌)。另外作者也研究了增加光照的时间的影响(参见下图2 c, d)。其结果显示:近场信号强度随光照时间增加,从12.5 μV (黄色,0 min) 增加到 14.4 μV (红色, 60 min),该近场信号反映了可移动自由载流子密度的变化。终,红外光neaSNOM研究结果证明:随光照时间增加,太阳能电池表面的钙钛矿纳米粒子涂层富集和捕获了大量的电子。图2. SNOM测量钙钛矿结构纳米粒子涂层的载流子密度。a. AFM形貌图;b, s-SNOM光学信号图-未加光照;c, s-SNOM光学信号图-光照30min;d, s-SNOM光学信号图-光照60min 作者预见,该研究对于设计新型太阳能电池,提高其转化效率具有重要意义。同时,该研究还提出了一种使钙钛矿结构材料和晶硅太阳能电池相结合的研究方法,为之后的研究和应用提供了解决新思路。相关参考文献1.Zhang Y.P. et. al. Reversible StructuralSwell?Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic?OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031?7038.2.Wang Y.H. et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. AdvancedMaterial 2017, First published: 3 March 2017 DOI: 10.1002/adma.201606370.相关产品链接超高分辨散射式近场光学显微镜 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C170040.htm德国Neaspec纳米傅里叶红外光谱仪 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C194218.htm
  • 韦亚一教授课题组在近场光学邻近效应研究中获进展
    表面等离子体光刻(Plasmonic lithography)作为一种近场成像技术,具有可打破衍射极限的特性,能够为发展高分辨率、低成本、高效、大面积纳米光刻技术提供重要方法和技术途径,是下一代光刻技术的主要候选方案之一。目前,虽然已通过实验验证表面等离子体光刻可以满足微纳制造领域对14 nm及以下技术节点分辨率的要求,但随着集成电路特征尺寸的进一步缩小,严重的近场光学邻近效应(Near-field optical proximity effect,near-field OPE)不仅会降低曝光图形的分辨率,而且会增大曝光图形的失真现象,造成纳米器件物理性能及电学特性的偏差,进而影响到产品的功能和成品率,限制了表面等离子体光刻技术的实际应用性。为满足集成电路中对纳米结构器件的尺寸及质量的高性能要求,有效地解决表面等离子体光刻技术中存在的near-field OPE问题,中国科学院大学集成电路学院教授韦亚一课题组通过对表面等离子体光刻特有的近场增强效应进行定量表征,从物理根源上揭示了near-field OPE的产生机理,以及倏逝波(Evanescent waves)复杂的衰减特性和场分布的不对称性对曝光图形边缘特征尺寸的影响,并从光刻参数与表征光刻图形保真度的指标之间的数学关系出发,通过对曝光剂量和目标图形的联合优化,提出了基于倏逝波场强衰减特性进行空间调制的近场光学邻近效应矫正(Near-field optical proximity correction,OPC)的优化方法。相比于传统的OPC优化方法,该方法能够实现对近场高频倏逝波信息的空间调制,可提高优化自由度,能够更有效地提高表面等离子体光刻系统的成像及曝光图形质量,为批量生产低成本、高分辨率和高保真度的任意二维纳米图形奠定了技术基础,并为微纳米光刻加工技术的发展提供了理论支持。 3月30日,相关研究成果以Enhancement of pattern quality in maskless plasmonic lithography via spatial loss modulationh为题,发表在Microsystems & Nanoengineering上。研究工作得到中科院和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目的支持。 论文链接 近场光学邻近效应对表面等离子体光刻曝光结果的影响及基于高频倏逝波信息空间调制式的OPC优化方法
  • 30mK极低温近场扫描微波显微镜研发核心:attocube极低温纳米位移台
    关键词:低温位移台;近场扫描微波显微镜; 稀释制冷机 背景介绍扫描隧道显微镜(STM)[1]和原子力显微镜(AFM)[2]等基于扫描探针显微术(SPM)的出现使得科学家能够在纳米分辨率下去研究更多材料的物理特性及图形。以这些技术为基础的纳米技术、材料和表面科学的迅速发展,大地推动了通用和无损纳米尺度分析工具的需求。尤其对于快速增长的量子器件技术领域,需要开发与这些器件本身在同一区域(即量子相干区域)中能够兼容的SPM技术。然而,迄今为止,能够与样品进行量子相干相互作用的纳米尺度表征的工具仍非常有限。特别是在微波频率下,光子能量比光波长小几个数量,加之缺乏单光子探测器和对mK端温度的严格要求,更是一个巨大的挑战。近年来,固态量子技术飞速发展迫切需要能够在此端条件下运行的SPM探测技术。技术核心近场扫描微波显微技术(NSMM)[3]结合了微波表征和STM或AFM的优势,通过使用宽带或共振探头来实现探测。在近场模式下,空间分辨率主要取决于SPM针尺寸,可以突破衍射限的限制,获得纳米别的高分辨率图像。NSMM的各种实现方式已被广泛应用于非接触式的探测半导体器件[4],材料中的缺陷[5]、生物样品的表面[6]及亚表面分析,以及高温超导性[7]的研究。但是在低温量子信息领域中的应用还鲜有报道。英国物理实验室NPL的塞巴斯蒂安德格拉夫(Sebastian de Graaf)小组与英国伦敦大学谢尔盖库巴特金(Sergey Kubatkin)教授小组合作开发了一种在30 mK下工作的新型低温近场扫描微波显微镜,同时,该显微镜还结合了高达6 GHz的微波表征和AFM技术,旨在满足量子技术领域的新兴需求。整个系统置于一台稀释制冷机中(如图1(b)所示),NSMM显微镜的示意图如图1(a)所示:在石英音叉上附着了一个平均光子占有率为~1的超导分形谐振器。一个可移动的共面波导被用来感应耦合到谐振器上进行微波的发射和信号的读出。整个系统的核心是德国attocube公司提供的兼容低温的铍铜材质的纳米精度位移台,该小组使用一组ANPx100和ANPz100纳米位移器将样品与针在x,y和z方向上对齐,同时使用一个小的ANPz51纳米位移器进行RF波导的纳米定位和耦合。图1.(a)NSMM显微镜的示意图。(b) 稀释制冷机中弹簧和弹簧悬挂的NSMM示意图。测量结果如图2所示,Sebastian教授演示了在单光子区域中以纳米分辨率进行扫描的结果。扫描的区域与在硅衬底上形成铝图案的样品相同。扫描显示三个金属正方形(2×2μm2)与两个较大的结构相邻,形成一个叉指电容器。叉指电容器的每个金手指有1 μm的宽度和间距,尽管在图2中,由于的形状,这些距离看起来不同。图2. 在30 mK下扫描具有相邻金属垫的交叉指电容器.(a)得到的AFM形貌图。(b) 单光子微波扫描(~1)显示了微波谐振腔的频移,微波扫描速度为0.67 μm/s.(c)高功率微波扫描结果(~270)。(d) 在调谐叉频率(30 kHz)下解调的PDH误差信号,与dfr/dz(~270)成正比。(e) 扫描获得的信噪比(SNR)作为平均光子数的函数。attocube低温位移台德国attocube公司是上著名的端环境纳米精度位移器制造公司。拥有20多年的高精度低温纳米位移台的研发和生产经验。公司已经为各地科学家提供了5000多套位移系统,用户遍及全球著名的研究所和大学。它生产的位移器设计紧凑,体积小,种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和扫描器。德国attocube公司的位移器以稳定而优异的性能、原子的定位精度、纳米位移步长和厘米位移范围深受科学家的肯定和赞誉。产品广泛应用于普通大气环境和端环境中,包括超高环境(5E-11 mbar)、低温环境(10mK)和强磁场中(31 Tesla)。图3. attocube低温强磁场纳米精度位移器,扫描器,3DR主要参数及技术特点参考文献:[1]. Binnig, G., Rohrer, H., Gerber, C. & Weibel, E. Surface studies by scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982).[2]. Binnig, G., Quate, C. F. & Gerber, C. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).[3]. Bonnell, D. A. et al. Imaging physical phenomena with local probes: From electrons to photons. Rev. Mod. Phys. 84, 1343 (2012).[4]. Kundhikanjana, W., Lai, K., Kelly, M. A. & Shen, Z. X. Cryogenic microwave imaging of metalinsulator transition in doped silicon. Rev. Sci. Instrum. 82, 033705 (2011).[5]. Gregory, A. et al. Spatially resolved electrical characterization of graphene layers by an evanescent field microwave microscope. Physica E 56, 431 (2014).[6]. Gregory, A. et al. Spatially resolved electrical characterization of graphene layers by an evanescent field microwave microscope. Physica E 56, 431 (2014).[7]. Lann, A. F. et al. Magnetic-field-modulated microwave reectivity of high-Tc superconductors studied by near-field mm-wave. microscopy. Appl. Phys. Lett. 75, 1766 (1999). 更多文章信息请点击:https://doi.org/10.1038/s41598-019-48780-3
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