[发明专利]一种纳米热红外显微术装置

说明书

本申请公开了一种纳米热红外显微术装置，用于实现样品材料红外吸光度纳米尺度高分辨显微成像，该装置包括纳米红外光热激励模块，用于产生并控制周期性脉冲红外激光，同时原位激发热探针与所述样品材料之间纳米尺度接触微区的光热效应信号；光热信号频域变换模块，用于实现微区光热效应诱导的周期性温度变化信号从时域向频域形式的转换；红外吸光度显微成像模块，用于实现原子力显微镜热探针原位检测纳米尺度光热基频信号，并显示所述样品材料红外吸光度微区面分布高分辨显微成像结果。本申请为与材料纳米尺度物相组成和结构分析密切关联的红外吸光度的显微成像提供了一种超高分辨原位表征装置。

技术领域

本申请涉及信号检测仪器领域，尤其是一种纳米热红外显微术装置。

背景技术

红外吸光度是分析材料物相组成和官能团结构的重要参数之一。传统傅立叶变换红外光谱技术作为一种重要的材料化学分析手段，其吸光度光谱提供了物质结构鉴定、成分定量分析的能力，在材料、化学、生物及医学等领域具有重要应用；然囿于光学衍射极限导致该技术其空间分辨率仅局限于微米尺度，无法实现纳米尺度红外吸光度分析，从而满足不了当前迅猛发展的纳米材料科学表征发展之急需。商品化纳米红外光热显微术可通过原位检测纳米尺度红外光热膨胀信号来实现纳米尺度红外吸光度分析，但对于热膨胀效应不显著或者模量极低的质软样品，其光热膨胀带来的形变不易被AFM探针所检测。

发明内容

针对当前纳米尺度红外吸光度表征的迫切需求，本申请基于AFM平台发展一种能够实现纳米尺度红外吸光度高分辨显微成像的新装置，以推动相关材料的纳米尺度化学组成及结构原位表征的创新研究。

更具体地说，本申请基于AFM纳米平台发展了一种纳米热红外显微术装置，以实现材料微区红外吸光度高分辨显微成像，为材料纳米尺度化学组成与结构分析提供一种原理简单、测试直接的纳米表征装置。

本发明提供了一种纳米热红外显微术装置，用于实现样品材料红外吸光度纳米尺度高分辨显微成像，其特征在于，所述装置包括：

纳米红外光热激励模块，用于产生并控制周期性脉冲红外激光，同时原位激发热探针与所述样品材料之间纳米尺度接触微区的光热效应信号；

光热信号频域变换模块，用于实现微区光热效应诱导的周期性温度变化信号从时域向频域形式的转换，所述纳米尺度接触微区的光热效应信号的光热基频信号F₁(f)与温度ΔT之间的关系为：

其中，F₁(f)为光热基频信号，ΔT为所述热探针与所述样品材料接触处样品纳米微区吸收单次脉冲红外光的瞬时升高温度，f为脉冲频率，t_relax为所述样品材料弛豫时间；

红外吸光度显微成像模块，用于实现原子力显微镜热探针原位检测纳米尺度光热基频信号，并显示所述样品材料红外吸光度微区面分布高分辨显微成像结果；

其中，所述红外吸光度的表征关系为：

其中，η表示红外吸光度，P、ΔP分别表示红外激光单次脉冲的总功率和所述样品材料的吸收功率。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米热红外显微术装置，其特征在于，所述纳米红外光热激励模块进一步包括：

脉冲激光控制系统、红外激光器、红外光路系统、样品材料和所述热探针，其中，所述脉冲激光控制系统、所述红外激光器和所述红外光路系统依次相连；所述红外光路系统将脉冲红外激光引导并聚焦在所述样品材料表面；所述热探针与所述样品材料的纳米尺度接触微区处于红外光照射区域的中心位置。

比较好的是，本发明进一步提供了一种纳米热红外显微术装置，其特征在于，所述光热信号频域变换模块进一步包括：

所述热探针、热学控制模块和锁相放大器；