[发明专利]用于针对样本改善光透导力的使用传感器分子的扫描探针显微镜

说明书

扫描探针显微镜及显微镜动作方法使用具有介电常数(ε)的至少一种材料和金属探针尖头和样本表面之间的共振材料。在来自光源的电磁辐射传输到金属探针尖头和样本之间的连接时，检测依赖于样本的至少一种材料的介电常数的通过共振传感器材料的电磁辐射吸收。

相关申请的交叉引用

本申请可享有在2018年5月25日申请的美国临时专利申请第62/676,878号的优先权(benefit)，并且作为参照并入到本说明书中。

背景技术

光透导力显微镜(photo-induced force microscopy；PiFM)为利用涂敷金属的原子力显微镜(atomic force microscopy；AFM)探针尖头(probe tip)检测作用于AFM探针尖头和用于测量位于尖头顶端下方的样本的局部光学性偏光性的样本之间的光透导力及/或者力梯度(force gradient)。决定信号强度的重要因素是金属涂敷、探针尖头的形状及由激发光的P偏光(与尖头轴几乎平行的电场)引起的场增强(field enhancement)。场增强在顶点最强，并且随着离顶点越来越远(～约10s nm)而快速衰减。金属通常作为波长的函数针对红外线(IR)激发源具有平坦响应(flat response)，与此相反样本可具有与样本的化学性结构(chemical makeup)相关的振荡共振相应的至少一个明显的响应(pronouncedresponse)，稍微频繁地探针尖头和样本也可具有诸如等离子共振(plasmon resonance)的异类共振(exotic resonance)。PiFM可在与共振相关的波长中记录强信号。由于振荡共振波长与特定分子组成(molecular composition)相关，因此PiFM频谱通过nm水准的空间分辨率(nm-scale spatial resolution)可显示样本的局部化学性组成。

为了研究样本的化学性结构而依赖振荡及等离子共振的另一类型的纳米级仪器(nanoscale instrument)包括激发光的吸收诱导样本热膨胀的光热诱导共振(photo-thermal induced resonance；PTIR)，因此改变AFM悬臂(cantilever)的偏向信号及散射扫描近场光学显微镜(scattering scanning near-field optical microscope；也称为s-SNOM,aperture less near-field optical microscope)，在此，从探针尖头散射的近场光子被远程光检测仪收集。在这所有技术(PiFM、PTIR及s-SNOM)检测样本的共振。从而，这所有技术对于没有IR活性的样本中几乎都没有用，即红外线激发不激发振荡共振。没有IR活性或者通过正在使用的红外线激光源不能产生振荡共振的重要样本有很多。尤其是，利用足够量的电源持续生成可调的IR光的量子级联激光器通常在约5微米至13微米的范围内。在这种光谱范围内没有IR活性的特定示例的一部分多是诸如二维材料、硅、各种金属及硅锗(SiGe)的电介质。这些材料的大多数已在活跃使用于各种领域，并且能够以纳米级的空间分辨率强调它们为佳。

发明内容

扫描探针显微镜及显微镜动作方法为使用共振材料，该共振材料有在金属探针尖头和样本表面之间具有介电常数ε的至少一种材料。在来自光源的电磁辐射(electromagnetic radiation)传输到金属探针尖头和样本之间的连接时，检测依赖于样本的至少一种材料的介电常数的通过共振传感器材料吸收电磁辐射。

本发明的一实施例的扫描探针显微镜包括：悬臂，具有用于连接具有介电常数ε的至少一材料和样本的金属探针尖头；光源，用于将电磁辐射传输到金属探针尖头和样本之间的连接；振荡驱动装置，连接于悬臂并振荡悬臂；共振传感器材料，位于金属探针尖头和样本表面之间；及检测系统，用于检测利用共振传感器材料的电磁辐射吸收，通过共振传感器材料的电磁辐射吸收依赖于样本的至少一种材料的介电常数ε。