[发明专利]STM针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法

说明书

本发明提供一种STM针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法，其中的装置包括激光器、STM针尖、针尖压电位移台、样品台、光谱仪、锁相放大器和前置放大器，样品台用于承载测试样品并带动测试样品移动；激光器用于发出激光束并聚焦于测试样品表面形成光斑；STM针尖垂直于测试样品表面并指向光斑的中心；针尖压电位移台用于驱动STM针尖垂直于测试样品表面做高频振动，在测试样品表面诱导出增强光信号；光谱仪用于采集测试样品表面的光信号并转换电信号；前置放大器用于对光谱仪转换成的电信号进行放大；锁相放大器用于从前置放大器放大后的电信号中提取出与增强光信号同频的信号，获得二维空间成像。本发明能够消除背景光信号，实现增强光信号的提取。

技术领域

本发明涉及原子量级分辨光谱成像技术领域，特别涉及一种STM针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法。

背景技术

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，简称STM)可以实现原子量级的材料电子分布探测，获得了超级的原子尺度空间分辨能力，它为理解和掌握单分子、纳米结构和低维材料提供了有用信息，为认识纳米尺度电子态和量子化效应提供强有力的手段。STM探针的针尖一般采用贵金属材质，而且具有极小的曲率半径，在激光的诱导下，可以局域化被测材料表面的等离子被，在被测材料表面产生针尖增强的荧光和拉曼散射，这为获得原子尺度分辨的拉曼散射或荧光提供了基础，但由于原子尺度的空间产生的荧光或拉曼散射信号往往被掩灭在周围大尺度的平均信号里，难以分辨出来，所以提取出纳米尺度范围的光信号尤为关键。

由于衍射极限的局限，光学信号的空间分辨长期不能突破，直到如受激发射淬灭加径向光场等新技术的兴起，突破了光学衍射极限，才实现了超分辨的荧光显微。基于光信息来直接观察纳米甚至亚纳米尺度的分子原子空间信息，对更深刻地理解微观尺度上的原子或分子行为是极其重要的。光的发射或散射除了强度信息之外，还可以提供能量分布、动量和动态的相位等可以掌握材料中的原子分子在实现器件功能化时的空间特征。近几年来，纳腔概念和探针技术也被引入到荧光和光散射成像领域，纳腔概念与探针技术相结合的设计，大大提高了光信号(拉曼与荧光)在纳米微观区域的增强效果，观察到了分子水平的空间结构拉曼图像，其设计思路是将单个分子被水平放置在金属面上，当探针在分子附近扫描时，探针的针尖与金属面之间会产生一个亚纳米尺度的局域增强电场，若位于分子中某些原子团的上方，局域的增强电场和针尖/分子间电荷转移会数个数量级地加大振动模式的拉曼散射信号或偶极耦合的荧光，而在耦合原子团之间的某些位置上方，由于与针尖的距离变化，场增强拉曼会衰减，从而产生信号对比度，获得分子尺度的空间分布拉曼散射图像或分子上的荧光图像。

到目前为止，基于STM针尖增强光的空间扫描成像，针尖增强拉曼和荧光信号都是直接提取光信号，并未彻底地消除光散射或荧光背景，即针尖增强光信号和背景光信号(如针尖下材料周围的部分也会被激发激光束辐照，产生光的散射或发射荧光)混合被收集系统捕获，转换成电信号。而且针尖增强光(包括光散射和光发射)空间扫描成像，都是采用针尖平扫模式，利用被探测物的原子分布空间结构差异造成光信号变化直接做衬度对比，实现空间图像。这样的设计无法提高针尖增强光那部分光信号的信噪比，所以现在的技术测试的对象或者现在被报道出来的研究工作只能针对单类的分子，而且被放置在能消除背景的衬底上，如在金膜上再外延上一层NaCl薄层，这样来消除金等离子体效应的荧光背景。如果面对的是有光散射或荧光背景的材料体系，如半导体膜的点缺陷区域的荧光或拉曼，现有技术完全无法有效的提取针尖增强光信号，因为半导体材料本身的光发射和光散射很强，由于针尖有效作用面积下的原子团数量与激光束斑所辐照面下的原子团数量比在10^-8以上，针尖增强光信号部分会大幅度受到这一激光辐照面的背景影响。所以对于某些研究对象，这是一个不可避免的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出了一种STM针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法，通过STM针尖在测试样品表面的上方一定高度范围内做固定频率的高频振动，利用锁相放大技术，消除测试样品的背景光信号，实现针尖增强光信号的提取，获得原子量级光响应模式的空间图像。