[发明专利]提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法及装置

说明书

本发明涉及一种提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法及装置，所述装置包括：原子力显微镜探针、样品扫描台、物镜系统、分光器件、光束调整系统、激发光源、拉曼光谱系统、原子力显微镜控制系统；所述方法包括：S1：将直接照射探针针尖的光束进行入射方向的调整，使光束先照射到探针的悬臂梁表面，经过悬臂梁反射后光束再照射探针尖端；S2：对光束发散角进行控制，使探针在接触到基底表面时光束聚焦到探针尖端；S3：调整聚焦光斑的偏振态，使沿探针轴向方向的偏振分量最大。本发明利用原子力显微镜探针悬臂梁作为反射镜，动态调整激发光聚焦位置，可实现在非接触工作模式下提高针尖局域增强拉曼散射信号。

技术领域

本发明涉及高精密仪器领域，更具体地，涉及一种提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法及装置。

背景技术

针尖增强拉曼散射(TERS)技术结合了扫描探针显微镜与表面增强拉曼散射两种技术，在获得样品形貌信息的同时能够获得超高灵敏度与超高空间分辨率的拉曼光谱信息，在纳米材料表征、分子成像等研究领域具有重要的应用价值。

针尖增强拉曼散射技术的超高灵敏度与空间分辨率一个重要因素是激发光聚焦在探针针尖处激发的高度局域性的局域表面等离激元，而表面等离激元分布与探针-样品的距离息息相关，只有在探针与样品保持在非常小的距离的时候才能够有效地增强拉曼信号，所以原子力显微镜平台的TERS系统需要工作在接触模式下。然而，接触工作模式下，探针与样品之间的作用力比较大，且探针比较容易受到温度漂移的影响而使实际的探针-样品作用难以稳定，并不是很适合比较软的样品的表征。

TERS系统常用的样品多为石墨烯、纳米管类型的低维纳米材料、单分子材料等，在实际的TERS成像时研究人员往往首先使用非接触模式对样品进行初步的表征，再在接触模式下进行TERS探测成像，但TERS扫描成像需要较长时间，温度漂移造成的影响仍然难以避免。利用多通道探测技术、声光调整设备等方法可以提高非接触模式下的TERS信号，但多通道技术只针对特定波长信息，难以实现完整光谱探测。该两种方案都需要到成像系统软硬件方面进行改进，在一定程度上提高系统的复杂性与设备成本。制备可以实现远场激发表面等离激元的探针具有在非接触模式提高TERS信号的潜力，但探针制备在很大程度是限制了应用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的针尖局域拉曼散射信号强度不够高的缺陷，提供一种提高原子力显微镜非接触模式下TERS信号的方法及装置。

本发明所述非接触模式泛指接触模式以外的探针在z方向做周期运动的工作模式。

所述方法包括以下步骤：

S1：，利用光束调控器件，即光束调整系统中的光束方向调整器件；将直接照射探针针尖的光束进行入射方向的调整，使光束先照射到探针的悬臂梁表面，经过悬臂梁反射后光束再照射探针尖端；

由于光路系统发生改变，此时的光斑聚焦位置不一定在探针针尖，故执行S2：对光束发散角进行控制，使探针在接触到基底表面时光束聚焦到探针尖端；

当探针接触到基底表面时，激发光照射探针悬臂梁表面反射后再照射到探针针尖产生增强的局域表面等离激元。当探针离开基底表面时，激发光聚焦位置也随着探针位置的变化而远离针尖，减弱非探针产生的信号，提高TERS信号对比度。这样既可以使用原子力显微镜的非接触模式进行样品表征，由可以提高TERS信号灵敏性。

S3：利用光学偏振器件，即光束调整系统中的激光偏振态调整器件，调整聚焦光斑的偏振态，使沿探针轴向方向的偏振分量最大，以提高针尖局域电磁场的增强效率。

优选地，在原子力显微镜接触模式下进行步骤S1和S2。

优选地，在执行步骤S1-S3的同时可以在样品台表面制备单分子薄膜样品，利用光谱仪实时探测分子膜的拉曼信号强度以反馈针尖TERS增强效果，将光束调整到最佳状态，以实现最高的TERS增强效果。