定制版近场纳米镜在纳米尺度下的材料图像

由麻省理工学院的一个研究团队定制的纳米显微镜和分光镜，可以快速、经济地探测纳米尺度上不同材料的特性。该工具也被称为散射型近场扫描光学显微镜(s-SNOM)，它可以识别材料的内部特性，比如其光学活性在极小距离内的变化。 研究人员表示，它还可以提供单个分子的纳米级视图。

Long Ju教授领导的研究小组将放置在原子力显微镜(AFM)尖端的红外激光聚焦，将其变成放大光与材料相互作用的天线。AFM扫描材料的表面，并创建高分辨率的材料地形图。AFM的20纳米尖端能够精确地指出材料的物理特征，在高度或深度上小于1纳米。

通过分析从光与材料相互作用中收集到的背向散射光，研究人员发现，他们可以比传统的AFM了解更多材料的表面信息。“你可以获得比传统红外测量的空间分辨率高三个数量级的样品图像，” Long Ju说。

根据他们的需要和样品材料，用户可以扫描纳米显微镜的尖端，当尖端被单一波长照射时，穿过材料的表面，或者他们可以把尖端停在一个特定的表面区域，并用不同波长的光探测该区域。

在纳米尺度上表征材料的工具的近距离示意图。 红外光(红色)聚焦在金属尖端上。可以分析散射回来的光的各种性质。

在Long Ju和他的同事发表的早期工作中，该小组发表了用原子力显微镜和新工具拍摄的石墨烯图像。麻省理工学院开发的近场纳米显微镜拍摄的近场图像包括材料两个不同部分之间的畴壁，这在AFM拍摄的图像中是不可见的。这种对畴壁可视的能力有助于研究者更全面地了解材料的结构和性能。

可以用透射电子显微镜(TEM)捕捉到与麻省理工学院纳米显微镜制作的图像细节相当的图像，但透射电子显微镜必须在超高真空中操作，这限制了实验吞吐量。此外，TEM样品必须非常薄，以便在薄膜或膜上悬浮，Long Ju说，这一要求与大多数材料不相容。相比之下，近场纳米显微镜“可以在空气中操作，不需要样品悬浮，而且可以在大多数固体基质上工作，” Long Ju说。

近场纳米显微镜提供了高分辨率的表面特征图像; 此外，对纳米显微镜尖端的背散射光的分析还可以提供有关样品材料内部特性的有意义的信息。最后，该设备可以区分金属和绝缘体，以及化学成分相同但内部结构不同的材料，如钻石和铅笔铅。

左边的图像是用原子力显微镜拍摄的石墨烯表面。 右侧更详细的图像是通过近场红外纳米镜和光谱技术在装置上添加红外光拍摄的。 助理教授Long Ju已经为麻省理工学院制作了定制版仪器。

Ju说，纳米显微镜甚至可以用来观察材料从绝缘体到超导体的转变，以响应温度的变化。它还可以用于监测纳米级的化学反应。

Ju的团队在2021年5月完成了第二款更先进的近场纳米显微镜。

此团队仍会继续增加仪器的功能。

   Photonics.com

   Jul 2021