[实用新型]与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置

说明书

本实用新型提供了一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，包括：待测样品、光学成像组件、一体化支架、扫描隧道显微镜的腔外透镜组和光学探测器；金属电致激发待测样品表面产生表面等离激元，光学成像组件收集表面等离激元传播过程中形成的漏辐射的大角度光信号并将其转换为平行光信号输出，扫描隧道显微镜的腔外透镜组接收平行光信号进行汇聚和/或成像后输出，光学探测器对接收到的光信号进行光谱测量和/或后焦面成像。本实用新型利于在低温超高真空环境中实现了对样品发光的后焦面特征的成像及其相关光谱的测量。

技术领域

本实用新型涉及光学探测技术领域，尤其涉及一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置。

背景技术

根据阿贝成像原理，透镜傅立叶平面(后焦面)上的空间频率信息可以表征光源的辐射方向，通过对透镜的后焦面进行成像进而获取光源辐射的空间角向分布特征。在扫描隧道显微镜(STM)中，对于放置在金属界面上的分子和量子点等纳米结构而言，其发光一般会借助表面等离激元向外传播，因此测量相关表面等离激元的辐射分布特征就可以反映出分子和量子点等纳米结构的特性。表面等离激元在金属-真空界面传播过程中，其部分能量会以漏辐射的方式从衬底的下表面向外辐射。而漏辐射的发射角度一般大于衬底-真空界面的全反射角，因此，需要数值孔径大于1的显微物镜才能够收集并观察到漏辐射的大角度信号。目前，在室温大气STM 与光学检测相结合的系统中，通常使用商用的数值孔径较大的油浸物镜，来满足衬底(载波片等)与物镜之间的折射率匹配条件，进而实现对辐射角度大于临界角的漏辐射信号的探测。

而在单分子和单量子点的光电特性的研究中，为了对单个纳米结构进行高分辨高灵敏的表征，需要尽量降低外界环境对实验体系和测量过程的影响。超高真空(～1.0×10^-10 Torr)环境，能够保证样品的清洁还能避免外界环境对样品本身和检测过程的影响；低温(～7K)系统则能保证测量对象在衬底上的稳定性。因此，低温超高真空的STM与光学检测相结合的系统更适合单分子和单量子点等体系的光电研究。

但是，与室温大气环境中的STM与光学检测相结合的系统不同，想在低温超高真空STM与光学检测相结合的系统中实现对样品发光的后焦面的成像探测进而获得其空间角向分布特征存在以下困难：其一，没有商用的解决方案，一方面商用的油浸物镜由于体积较大，无法安装在扫描隧道显微镜扫描台上狭小的空间内；另一方面油浸物镜会破坏真空系统。因此在低温超高真空环境下无法像室温大气环境下那样使用商用油浸物镜来实现大角度光信号的探测。其二，目前STM系统中采用的样品都是立方体结构。样品上表面的表面等离激元的漏辐射信号在往下的传播过程中会接触到样品衬底下表面，由于其辐射角度对应的数值孔径值大于1，所以会在样品下表面-真空界面处时会发生全反射，导致无法在样品的背面收集到相应的光信号。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供了一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供了一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，包括：光学成像组件，设置在扫描隧道显微镜真空腔内，金属探针电致激发扫描隧道显微镜真空腔内的待测样品表面产生表面等离激元；所述光学成像组件包括：半球形透镜，将表面等离激元传播过程中形成的漏辐射的大角度光信号沿原方向射出；所述半球形透镜平面端与所述金属探针相对；非球面透镜，将经过所述半球形透镜射出的光信号转换为平行光信号从所述扫描隧道显微镜真空腔输出；所述半球形透镜和所述非球面透镜沿光路方向平行且共轴设置；一体化支架，用于集成所述待测样品和所述光学成像组件，包括：底座、半球形透镜安装架组和非球面透镜安装架；扫描隧道显微镜的腔外透镜组，用于将扫描隧道显微镜真空腔输出的平行光信号进行汇聚和/或成像；光学探测器，用于接收经过所述扫描隧道显微镜的腔外透镜组汇聚的光信号，并对接收到的光信号进行光谱测量和/或后焦面成像。