[发明专利]一种散射式的扫描近场太赫兹显微镜

说明书

技术领域

本发明属于显微镜技术领域，涉及一种散射式的扫描近场太赫兹显微镜。

背景技术

目前在材料科学领域，科研工作者都致力于将纳米结构集成到新一代的光电子器件中，然而纳米级分辨率的光电子器件电学特性检测技术的缺乏严重地阻碍了其发展。鉴于许多纳米结构的带间、子带间跃迁都是处于太赫兹(Terahertz，THz)波段，这使得基于THz波的无接触电子学特征参数检测表现出了巨大的潜力。另一方面，许多分子的振动和转动模式、生物大分子的集体振动能级、分子间弱的相互作用力等都处于太赫兹波段，同时布料、纸张等对光学波段不透明的极性材料在太赫兹波段都是透明的，石墨烯、掺杂硅等材料与太赫兹波有强相互作用，因此THz技术作为一种实时、无标记、无损的检测技术在材料物质表征和生物样品检测等方面得到了迅猛发展。

虽然THz检测技术在半导体器件检测、材料表征、分子检测方面已凸显出极大的发展前景。然而目前的太赫兹波检测技术都是基于传统的光学透镜组，这使得其成像的空间分辨率受衍射极限的限制，其最佳空间分辨率约为太赫兹波波长的一半，即对1THz的太赫兹波来说其最佳空间分辨率约为150μm，远远地限制其在纳米级半导体器件及生物体系(生物大分子、细胞和组织)检测等方面的应用。因此突破衍射极限，实现亚波长空间分辨率成像是THz检测技术亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种散射式的扫描近场太赫兹显微镜，能够同时获得物质纳米级分辨率三维形貌成像和纳米级空间分辨率的太赫兹光谱成像，为纳米级的材料表征、纳米级大小的半导体器件和生物大分子检测提供支持。

所述散射式的扫描近场太赫兹显微镜是在扫描近场光学显微技术下将扫描探针显微技术与太赫兹波检测技术有效的结合起来，通过探测不受衍射极限约束的近场光学信号对物体成像，使得空间分辨率能突破衍射极限达到亚波长级别甚至纳米级别。所述散射式的扫描近场太赫兹显微镜在对样品进行纳米级分辨率三维形貌成像的同时能突破传统光学衍射极限获取物质纳米级光学空间分辨率的太赫兹光谱，因此可以同时从样品形貌和样品的太赫兹波近场指纹光谱两方面对样品进行分析，可为纳米级材料表征、纳米级大小半导体器件和生物样品的检测提供有效方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种散射式的扫描近场太赫兹显微镜，包括太赫兹波产生元件、太赫兹波可视调节元件、太赫兹波干涉元件、扫描探针显微成像及太赫兹波近场信号调制部件、太赫兹波检测元件、锁相放大器、控制电脑；

所述太赫兹波产生元件用于产生太赫兹波，产生的太赫兹波经过太赫兹波可视调节元件辅助调节后一部分传送至太赫兹波干涉元件，另一部分传送至扫描探针显微成像及太赫兹波近场信号调制部件，从二者返回的太赫兹波被传送至太赫兹检测元件，其中太赫兹波检测元件与锁相放大器相连；扫描探针显微成像及太赫兹波近场信号调制部件根据对探针控制反馈信号进行处理实现纳米分辨率的三维形貌成像，同时对太赫兹波近场信号进行调制；控制电脑用于对太赫兹波产生元件、太赫兹波干涉元件、扫描探针显微成像及太赫兹波近场信号调制部件、太赫兹波检测元件、锁相放大器进行控制。

进一步，所述太赫兹波可视调节元件包括可视激光器、用于可视激光光束扩束的扩束镜、用于太赫兹波和可视激光共轴传输的薄膜分束器。

进一步，所述扫描探针显微成像及太赫兹波近场信号调制部件包括金属纳米探针、扫描成像控制元件、压电陶瓷管，所述扫描成像控制元件精确控制金属纳米探针与压电陶瓷管上样品之间的相对位置，同时通过扫描成像控制元件对压电陶瓷管施加电压来促使压电陶瓷管在三维方向做纳米级精确移动，从而对样品实现纳米分辨率的三维形貌成像，同时所述金属纳米探针在垂直方向以一定机械振动频率振动来对太赫兹波近场信号进行调制。

进一步，所述太赫兹波干涉元件包括太赫兹波分束镜、安装有高精度一维电动平移台的反射镜，所述太赫兹波分束镜将太赫兹波分成探测用太赫兹波和干涉用太赫兹波，其中探测用太赫兹波输入镀有金属的离轴抛物面镜聚焦后照射在金属纳米探针上，干涉用太赫兹波则垂直输入到所述反射镜上，太赫兹波分束镜也能将从反射镜反射回来的干涉用太赫兹波和从金属纳米探针散射的太赫兹波近场信号进行合并，同时控制高精度一维电动平移台移动反射镜的位置来调节干涉用太赫兹波与近场太赫兹波信号的相位差，以便获得最大的太赫兹波干涉信号；所述太赫兹波检测元件用于接收从太赫兹波分束镜出来的干涉且聚焦后的太赫兹波信号，实现对太赫兹波的探测。