散射型近场扫描光学显微镜的探针振动参数优化研究

基于原子力显微镜平台设计了可见.近红外波段的散射型近场扫描光学显微镜,通过理论模型计算和实验测量,分析了散射探针振动的调制振幅和扫描反馈幅值对近场信号的影响。研究表明:与探针针尖尺寸相近的调制振幅有利于抑制背景散射噪声及优化近场信号的信噪比;当探针扫描反馈幅值与自由空间调制振幅之比大于90%时,可基本消除探针扫描过程中非简谐振动对近场成像测量的影响。

太赫兹近场扫描显微成像的理论模拟研究

太赫兹近场扫描成像系统突破了传统远场光学系统衍射极限的限制,可以实现太赫兹波段的超分辨检测与成像。基于太赫兹散射型扫描近场显微镜的工作原理,建立了一种基于COMSOL仿真软件的太赫兹散射型扫描近场显微镜系统的数值仿真模型,并通过该模型研究了探针由入射光激发而产生的避雷针效应和天线谐振效应,以及探针与样品之间的偶极效应。在此基础上,参照实际的扫描过程,实现了对蛋白分子的近场信号计算以及近场扫描成像。结果表明,该模型可以实现对三维立体物质的近场成像,在研究复杂的三维微纳米材料上具有应用潜力。

基于超快太赫兹散射型扫描近场光学显微镜的自旋电子太赫兹发射光谱技术(特邀)

基于自旋电子材料的太赫兹(THz)发射器具有高效率、超宽带、低成本、易集成等许多独特优势,不仅能够应用在高重复频率激光振荡器驱动的THz时域光谱仪上,而且在高能飞秒激光放大器驱动下能够产生强场THz电磁脉冲,在THz谱学成像、强场THz物理等方面已展现出重要的应用价值。然而,以往基于自旋电子产生THz电磁波的辐射机理和器件研制方面的工作均基于远场THz时域光谱技术,得到的结果是对泵浦激光光斑作用面积的THz发射信息的平均,无法给出材料在微纳尺度上的超快自旋电流以及THz发射性能方面的有用信息。本工作采用光纤飞秒激光器驱动的超快THz散射型扫描近场光学显微成像技术,研究了铁磁异质结材料钨/钴铁硼/铂(W/CoFeB/Pt)在纳米空间尺度下的自旋电子太赫兹发射性能,在横向百纳米尺度上获得了高信噪比的自旋电子THz发射,为纳米空间分辨上实现THz频率的超快自旋电流的产生、探测、操控等提供了新方法,对超快THz自旋光电子学的发展有一定的参考价值。

散射式扫描近场光学显微系统的研制及应用测试

基于扫描探针技术设计搭建了一套散射式扫描近场光学显微系统。基于搭建的系统结构和近场信号探测原理,理论分析和实验讨论了不同因素的干扰、解调阶次、聚焦光斑等因素对近场光学信号提取的影响。为进一步验证装置性能,对纳米金颗粒和机械剥离的六方氮化硼样品进行了测试。结果表明,所搭建的装置实现了10 nm的空间分辨率,可以清晰地观察到六方氮化硼表面声子极化激元在传播-反射过程中形成的驻波现象,展示了该技术在低维纳米材料光学表征中应用的巨大应用潜力。

散射式太赫兹扫描近场光学显微技术研究

基于散射式近场探测原理,设计并搭建了散射式太赫兹扫描近场光学显微系统(THz s-SNOM),实现了纳米量级空间分辨率的太赫兹近场显微成像测量。该系统以输出频率范围为0.1~0.3THz的太赫兹倍频模块为发射源,通过纳米探针的针尖产生纳米光源与样品相互作用,并将样品表面的倏逝波转化为可在远场测量的辐射波。通过探针逐点扫描样品表面,同时获得了样品表面的形貌图和太赫兹近场显微图。该系统的显微分辨率取决于探针针尖的曲率半径,而与太赫兹波的波长无关。使用该系统测量了金薄膜/硅衬底样品和石墨烯样品的近场显微图,结果表明,近场显微的空间分辨率优于60nm,波长与空间分辨率之比高达λ/26000。

太赫兹近场光学亚表面检测技术研究

研究了太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(Terahertz scattering-type scanning near-field optical microscopy,THz s-SNOM)对亚表面金属微纳结构的显微成像检测。首次采用自主搭建的THz s-SNOM系统对表面覆盖了六方氮化硼薄膜的金微米线进行太赫兹近场显微测量,获得了具有纳米量级空间分辨率和较高对比度的近场显微图。结合全波数值模拟,分析了THz s-SNOM探测亚表面金属微纳结构的空间分辨率、近场散射信号强度和成像对比度。研究表明,THz s-SNOM具有优良的亚表面显微成像检测能力,可应用于微纳电子器件的亚表面结构表征和缺陷检测。

探测激子极化激元在超薄范德华微晶中的光传播

激子极化激元是一种准粒子,过渡金属二硫族化合物材料即使在室温下也能支持传播激子极化子,是非常好的纳米光子学研究平台.已有研究表明,通过散射型扫描近场光学显微镜可以对过渡金属二硫族化合物薄片中激子极化激元进行实空间探测,但波导厚度仅限于低至30 nm.本文采用三种不同波长的入射光(1550和1064 nm的近红外以及633 nm的可见光),通过基于原子力显微镜的散射型扫描近场光学显微镜测量,探测到MoS2和WSe2薄片中激子极化子普通横电模式的纳米光学成像.在厚度分别低至~3 nm(相当于4原子层)和~8 nm(相当于12原子层)的超薄MoS2和WSe2薄片上,可以清楚地观察到干涉条纹图案,大大打破了之前的测量厚度限制.当厚度接近几个原子层时,波矢量始终保持在1.6k0~1.7k0左右,而不是理论预言的1k0.这些模式的特性表明,体系是由近乎悬浮的过渡金属二硫族化合物薄片的三层对称波导构成,其对激子极性子的传播产生限域效应.研究结果为探索基于超薄过渡金属二硫族化合物材料的近红外区极化器件提供了深入的理解和开辟了新的途径.

LaAlO_3/SrTiO_3界面导电性的近场成像（英文）

铝酸镧/钛酸锶(LaALO_3/SrTiO_3)异质界面被发现具有二维导电性并呈现出其他一些有趣的呈展现象.而此前,LaAlO_3/SrTiO_3异质界面的导电性主要都是通过电学方法进行表征.这里作者首次提出利用散射式扫描近场光学显微镜(s-SNOM)对LaAlO_3/SrTiO_3界面的导电性进行空间成像,这为研究过渡金属氧化物异质界面体系的物理现象提供了一个新的手段.

局域模超亚波长成像

一种可实现局域光子模的超业波长相敏成像的纯光学方法现已开发出来。这种方法把扫描近场光学显微镜学与共振散射光谱学相结合，以监测光子晶体纳米腔内法诺（Fano）共振谱线形状的空间变化。

α-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构中的声子极化激元-等离极化激元杂化波导模式

在中红外至太赫兹的电磁场长波谱段,二维范德瓦耳斯晶体石墨烯和a-MoO_(3)能够分别支持等离极化激元和双曲声子极化激元,实现对长波电磁场的纳米尺度聚焦和调控。不同类型极化激元之间的杂化可以进一步丰富极化激元物理特性,为纳米尺度下的电磁场调控带来更多维度。为此开展了a-MoO_(3)薄片和单层石墨烯异质叠层结构声子极化激元-等离极化激元杂化研究。在理论上通过求解二维光波导麦克斯韦波动方程,分析了a-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构中声子极化激元-等离极化激元杂化激元波导模式的传播特性,计算了波导模式的色散关系,揭示了a-MoO_(3)/石墨烯异质叠层结构特有的电磁场传输机制。在实验上通过干法转移制备了a-MoO_(3)/单层石墨烯异质叠层结构,并采用散射式扫描近场光学显微镜对该异质结构的杂化极化激元特性进行了三维空间纳米光学成像表征,验证了理论结果。研究结果为计算范德瓦耳斯二维晶体叠层结构的杂化极化激元特性提供了定量模型,为研究二维晶体中不同类型的极化激元之间的相互作用及其机制提供了理论和实验参考。