散射式扫描近场光学显微镜（scattering-type scanning near-field optical microscopy，s-SNOM）是一种新兴的扫描探针技术^[1]，可帮助实现可见光至太赫兹波段的纳米级成像与光谱研究^[2-3]，已被应用于材料科学、半导体技术、光子学、生物医学等多个领域^[4-7]。例如：利用分子振动光谱实现纳米尺度化学组分识别^{[6, 8-9]}，对半导体纳米结构中的移动载流子分布进行成像^[10-11]，研究二维材料中的极化激元^{[7, 12]}以及金属–绝缘体相变与强关联量子材料等^[13-14]。

s-SNOM基于原子力显微镜轻敲模式工作。在s-SNOM中，入射激光经抛物面镜聚焦至原子力针尖末端；受针尖天线效应、避雷针效应等影响，入射电磁场在针尖顶点区域被局域增强，形成特征尺度为数十纳米的近场光斑（即“纳米聚焦”效应），使针尖末端产生强近场，并与待测样品发生近场相互作用。随后，携带样品信息的散射信号由针尖散射，并被远场光学探测器检测^{[3, 15-16]}。当探针接近样品表面时，探针–待测样品的近场相互作用会因局域介电特性的差异，导致针尖散射信号发生变化。通过记录扫描过程中远场散射信号振幅与相位的变化，可重构样品表面介电特性的纳米分辨图像。该技术的空间分辨率主要取决于探针末端曲率半径（R），且不依赖于激发波长，这也是近场光学显微术区别于传统远场成像的核心特征。为抑制背景噪声信号，s-SNOM采用探针纵向振动（频率Ω）调制结合高阶谐波（nΩ，n≥2）调制技术提取纯近场信号^[17-19]。

近年来，太赫兹波段（0.1～10 THz）的s-SNOM因其在太赫兹材料、物性及器件等方面的独特优势而备受关注^{[10, 20-25]}。相较于成熟的可见–近红外s-SNOM技术，THz s-SNOM的发展仍面临诸多瓶颈，主要包括：1）太赫兹源和探测器等元器件限制。太赫兹功率密度普遍低于1 μW/μm²（相较近红外波段低3～5个量级），且高灵敏度太赫兹探测器（如液氦冷却测辐射热计）存在体积大、成本高等应用限制。2）原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）探针的限制。常规AFM探针长度L 约为20 μm，在太赫兹波段呈现亚波长特性（λ/10～λ/100），导致其对太赫兹波的耦合与散射效率较低。因此，优化探针的太赫兹光学特性成为该技术发展的关键^[3]。

前期研究表明，THz s-SNOM的性能主要受探针长度（L）及末端曲率半径（R）这两个几何参数的影响^[25]。通常，L决定远场–近场转换效率，而R主导空间分辨率。光电流近场测量结果表明，通过增加针尖长度并使其匹配天线谐振条件，可将近场信号强度提高近1个数量级^[24]。Maissen 等^[3]基于散射式s-SNOM的研究表明，通过优化针尖末端尺寸可以有效提升2.52 THz单频下THz s-SNOM的成像信噪比。近场探针优化的研究尽管已取得一些进展，但仍存在值得深入探索的问题。例如：针尖几何尺寸在太赫兹低频段中扮演何种角色，对宽频光谱信号有何贡献？已有研究表明，当针尖曲率半径R约30 nm时，可见波段s-SNOM信号强度会出现反常衰减现象^[26]。这也表明，需要根据工作频段范围和具体应用场景来进行针对性设计。

本研究采用定制AFM探针，结合全波电磁仿真，系统探究了针尖末端曲率半径对0.5～1.5 THz下s-SNOM成像效果与宽光谱信号的调控规律。结果表明，s-SNOM信号强度随针尖曲率半径的增大呈上升趋势，证明s-SNOM近场信号强度并非仅由针尖末端电场决定，而是由针尖末端散射偶极矩决定（散射偶极矩正比于末端电场与针尖散射截面乘积）。通过系统性模拟不同针尖末端曲率半径下的电场及诱导偶极矩光谱，揭示了以下关键机制：1）随针尖曲率半径R增大，电场强度降低，但其变化趋势明显缓于其在可见–红外–太赫兹高频段的变化趋势^[3]；2）与电场相反，针尖末端散射偶极矩随针尖曲率半径R的增大呈单调递增趋势，与实验结果高度一致。进一步采用针尖长度为150 μm、末端半径分别为40 nm和500 nm的探针，实现了石墨烯/溴硫铬（CrSBr）异质结体系的太赫兹纳米成像与纳米光谱测量。本研究不仅为理解THz s-SNOM近场信号提供了独特见解，也为高性能太赫兹近场光学探针的设计提供了思路，更为s-SNOM技术在材料科学领域的相关应用奠定了理论依据。

采用基于太赫兹时域光谱（terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）的THz s-SNOM系统（德国Attocube公司）表征不同尺寸探针的近场信号。此系统融合了太赫兹时域光谱技术和AFM技术^[22]。其中，THz-TDS负责太赫兹波的发射与探测，AFM为样品提供高精度的扫描平台；而AFM针尖决定探针与样品间的近场耦合强度，是获得近场散射信号的关键。系统光路如图1所示。THz-TDS发射天线发出的太赫兹波经抛物面镜聚焦至针尖末端；针尖–样品近场散射信号经针尖散射后，再经抛物面镜聚焦，被THz-TDS接收天线采集。为便于系统信号的搜寻与优化，光路中引入两路对称的可见光作为导引光。详细描述可见参考文献[27]。

图 1

Figure 1

图 1 基于太赫兹时域光谱技术的散射式扫描近场光学显微镜光路图 Figure 1 Optical path of scattering-type scanning near-field optical microscope based on THz-TDS

AFM以轻敲模式稳定运行。所配备的探针（Rocky Mountain Nanotechnology）采用铂铱涂层工艺，共振频率为30～90 kHz，针尖曲率半径R可以控制在数十纳米至微米范围内。为抑制背景噪声，探针以180 nm的振幅做纵向机械振动（频率为Ω），并利用锁相放大器在nΩ（n=3）谐波对信号进行解调。该方案可将背景散射影响降至原始信号的5%以下^[28]。

考虑到环境湿度（实验室湿度控制在5%以下）引起的水汽吸收损耗（约0.5 dB/cm@1 THz）以及光学元件衍射损耗（总传输效率约10%），系统采用主动对准策略：更换探针后，通过六轴微位移台（调节精度±0.1 μm）对抛物面镜、参考臂反射镜及探测器进行共轴校准，确保太赫兹波前与探针针尖精确匹配。实验过程中，保持入射功率恒定为（1.0±0.1）mW，并通过相位敏感探测技术同时获取近场振幅（|S_n|）和相位（φ_n）信息^[18]。

为表征不同针尖的THz s-SNOM近场信号，采用标准样品–金衬底作为待测样品。图2（a）为基于金衬底的THz s-SNOM测试示意图。在入射光场的作用下，探针尖端与样品间存在强烈的近场耦合作用，从而可实现近场信号探测。目前，研究者已建立点偶极模型、有限偶极模型等，用以理解针尖与样品间的近场相互作用^[29]。尽管这些模型是针对中红外s-SNOM建立的，但前期研究表明，它们也可用于定性描述THz s-SNOM^[30]，故本文不再赘述。图2（b）所示为，L=150 μm，R=20、40 或500 nm 的3种探针的二阶和三阶近场散射的频域光谱信号。结果显示，随着R的增大，近场散射信号在0.5～1.5 THz宽频范围内逐渐增大。这一现象也可以从图2（c）中不同半径对应的时域光谱信号得到证实。图2（d）为0.52 THz波段下，二阶近场散射频域信号强度随R的变化曲线。结果表明，近场散射信号强度与R呈正相关，R = 500 nm的探针信号较R=20 nm的探针增强近3倍。值得注意的是，Maissen等^[3]在2.52 THz频率下的研究表明，当R从25 nm增加到500 nm时，其近场信号增强近20倍。与高频太赫兹波段相比，THz s-SNOM近场信号在低频太赫兹波段对针尖末端尺寸的变化相对不敏感。

图 2

Figure 2

图 2 基于Au衬底不同探针（R=20、40或500 nm）测试的太赫兹频域、时域信号图 Figure 2 Terahertz frequency-domain and time-domain signals measured with different probes (R = 20，40 or 500 nm)on Au substrate

为理解上述近场信号随R变化的实验结果，采用有限元法（COMSOL Multiphysics）进行电磁场模拟^[31]。在模拟中，将针尖建模为圆锥体与半球形尖端的组合结构，并使用长方体（长150 μm，宽20 μm，高5 μm）代表探针悬臂，针尖及尖端尺寸的几何参数示意图如图2（a）所示。探针长度固定为150 μm，改变针尖曲率半径R（20～500 nm），待测样品为金衬底。为节约计算内存，探针底部尖端10 μm的长度采用金属材质，其余部分采用阻抗边界条件。入射光场设置为与实验一致的p偏振光，入射波矢相对于表面成30°入射，并采用严格菲涅尔公式进行计算^[3]。光照射到针尖，在其尖端产生局域电场，并与待测样品产生近场相互作用，从而产生近场散射光E_sca。光散射强度正比于散射偶极矩p，而偶极矩可通过表面电荷密度σ_s（正比于电场E）及针尖散射截面S进行计算

式中：s为针尖表面积分区域；z为偶极矩方向上的位置变量，用于计算表面电荷分布在该方向上的等效偶极矩。

考虑到针尖长度远大于针尖半径，且用p偏振光照射，因此计算中仅考虑z方向的偶极矩p_z，主要讨论针尖末端电场和针尖偶极矩光谱。电场计算位置处于针尖与样品中间点，即图2（a）中的A点。考虑到近场信号主要由针尖末端产生，因此仅计算针尖末端10 μm长度范围内的偶极矩（等效为文中提及的诱导偶极矩^[3]）。

计算了样品上方5 nm处针尖的电场和偶极矩光谱。图3（a）和（b）分别为R=20、40、200和500 nm时，针尖的偶极矩光谱和电场（E/E₀，E₀ = 1 V/m）。随着曲率半径R增大，针尖偶极矩在整个研究频率范围内呈相应增大趋势，如图3（c）中红色和褐色曲线所示。这与图2所呈现的实验结果高度一致。对于电场光谱而言，当频率小于0.58 THz时，电场强度随R的增大而减小，如图3（c）中黑色曲线所示。从图3（d）中不同尺寸末端对应电场分布也可以清楚得出上述结论。当频率大于0.58 THz，且R 在200～500 nm范围内变动时，电场强度几乎不变，如图3（c）中蓝色曲线所示。通过定量对比可知，当R从20 nm增大至500 nm时，R增加了24倍，但电场强度增大了1.2倍左右，分别由图3（c） 中黑色和蓝色曲线可得。电场强度随R的变化趋势与实验结果相反。上述理论与实验结果均表明，s-SNOM的近场信号并非由单一电场决定，而是由电场和针尖有效散射截面共同决定（即由偶极矩p_z决定）。值得指出的是，在太赫兹低频段，电场与偶极矩均表现出与可见–红外高频区不同的现象：一方面，太赫兹频段内电场随曲率半径R的变化呈明显的频率依赖性^[3]；另一方面，偶极矩和电场随R的变化趋势显著弱于可见–红外高频区域。这些异于高频区的变化趋势可能是由于太赫兹波长太长（约为1 200R～ 3 000R），尽管针尖R发生了变化，但相对入射太赫兹波而言，可近似认为没有发生明显变化。因此，针尖末端电场及散射偶极矩对探针末端尺寸的变化并不敏感。

图 3

Figure 3

图 3 不同末端曲率半径探针的电场与偶极矩仿真模拟结果 Figure 3 Simulation electric field and dipole moment for probes with different R

进一步将待测样品从常规金属衬底拓展至二维材料异质结，这对于s-SNOM在材料科学中的应用具有更大的指导意义。图4（a）为在高阻硅上制备的石墨烯/溴硫铬（CrSBr）异质结的光学图像。利用L = 150 μm、R = 40 nm的探针，通过THz s-SNOM对图4（a）中红色线框区域进行扫描成像，同时获得相应的形貌图[图4（c）]与近场光学图像[图4（d）]。由图4（b）中的形貌线可知，石墨烯厚度为8 nm，CrSBr厚度为25 nm。根据形貌图，可在近场光学图中标出异质结的边界，如图4（d）中白色虚线所示。由图4（d）可知，CrSBr的太赫兹近场光学信号较弱，与高阻Si衬底相近，且远小于石墨烯的太赫兹近场光学信号。从定量角度来看，石墨烯的近场光学信号强度约为CrSBr（Si衬底）的4倍，与金属的太赫兹响应相近。这表明，在该频段内石墨烯表现出金属导电性，而CrSBr的电导率极弱，呈现出电介质特性。

图 4

Figure 4

图 4 石墨烯/溴硫铬异质结的光学、AFM形貌图以及太赫兹近场光学成像图 Figure 4 Optical, AFM topographic and THz near-field optical images of graphene/CrSBr heterojunction

利用曲率半径R = 500 nm的探针对同一石墨烯/ CrSBr异质结成像，结果如图5所示。与R = 40 nm针尖的近场成像结果对比可知，采用R = 500 nm的针尖时，石墨烯、CrSBr及Si衬底的太赫兹近场信号均得到一定程度的提升。但是，针尖R对不同导电性样品的信号提升效率并不相同，例如：对具有高导电性的石墨烯，其近场信号提升了近3倍；而对弱导电性的溴硫铬，仅提升了2倍。这主要是由针尖与不同导电性样品的近场耦合差异引起的。值得注意的是，通过调控针尖曲率半径来提升近场信号，是以牺牲一定空间分辨率为代价的。如文献[3]中研究所示，空间分辨率的降低倍数并不与针尖R变化的倍数相一致，R = 500 nm的近场针尖提供的空间分辨率仍处于数百纳米区间，足以用于太赫兹频段的纳米成像和光谱研究。

图 5

Figure 5

图 5 Graphene-CrSBr异质结成像及近场振幅和相位光谱图 Figure 5 The THz s-SNOM near-field image, amplitude and phase spectra from different areas on the Graphene-CrSBr heterojunction

THz s-SNOM系统不仅可以用于成像，还可以测试二维材料的纳米光谱，从而实现对材料基本性质的定量分析，包括载流子浓度、电导率、介电常数等，并可获得声子/分子指纹光谱等^[5]。图5（c）～（d）是采用R 为500 nm的探针获得的石墨烯/CrSBr异质结中不同位置的振幅和相位光谱（以硅基底为归一化基底）。从石墨烯的振幅与相位光谱[图5（c）和（d）中的红色曲线]可以看出，随着频率升高，振幅逐渐降低，相位逐渐增大。这表明该石墨烯样品在0.5～1.5 THz波段具有载流子德鲁德近场响应^[4]。而CrSBr的振幅与相位光谱[图5（c）和（d）中蓝色曲线]基本不随频率变化，与Si衬底的振幅和相位[图5（c）和（d）中黑色曲线]相近，表明其载流子浓度极低，在该频段表现为电介质特性。异质结区域的振幅与相位光谱[图5（c）和（d）中绿色曲线]呈现出与石墨烯类似的变化趋势，但其相位变化更为显著。这一方面源于异质结样品厚度的变化，另一方面可能源自CrSBr与石墨烯之间的电荷转移引起的电导率变化^[32]。理论上，通过采用合适的THz s-SNOM近场理论模型对实验光谱进行拟合，可定量获取各区域材料的载流子浓度、电导率等参数。但由于低频THz s-SNOM的近场理论定量模型仍不完善，相关定量分析工作将在后续研究中开展。

本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统揭示了低频太赫兹波段（0.5～1.5 THz）下THz s-SNOM近场信号与针尖曲率半径的关联规律，实验和理论结果高度一致。研究进一步明确提出，THz s-SNOM近场信号并非由单一针尖末端电场决定，而是取决于针尖的散射偶极矩，即由电场和散射截面共同决定。在此基础上，本研究发现，针尖末端电场与偶极矩随针尖曲率半径的变化趋势显著弱于可见–红外–高频太赫兹频段下的对应变化。该现象可归因于：针尖曲率半径的纳米尺度远小于波长为数百微米的太赫兹波波长，因此针尖形貌的变化不会引起太赫兹波耦合效率的剧烈变化。基于优化后的探针，本研究实现了石墨烯/CrSBr二维材料异质结的太赫兹成像与纳米光谱表征，并完成了对石墨烯、CrSBr及其异质结的定性分析。本研究建立的针尖几何优化策略不仅有助于理解THz s-SNOM近场信号形成机制，也为THz s-SNOM近场信号强度的提高提供了新的途径。同时，该策略也为二维材料异质结体系（如石墨烯/过渡金属硫族化合物）的太赫兹纳米检测提供了解决方案。