光学仪器  2026, Vol. 48 Issue (3): 87-94   PDF    
基于太赫兹扫描近场光学显微技术的探针优化策略
李永乐, 李鹏伟, 杨晓宇, 丁楚童, 张鸿博, 陈舒     
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093
摘要: 太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(terahertz scattering-type scanning near-field optical microscopy,THz s-SNOM)是表征材料载流子动力学、晶格振动及相变等光学和材料性质的关键技术。然而,THz s-SNOM较低的信噪比在一定程度上限制了其广泛应用,这一问题在低频太赫兹区域(< 2 THz)尤为突出。本研究针对0.5~1.5 THz波段下THz s-SNOM信噪比低的问题,通过实验与理论模拟相结合,系统探究了不同几何参数的定制化近场探针对THz s-SNOM信号强度的影响。研究结果表明:通过增大原子力显微镜探针针尖末端尺寸,可显著增强0.5~1.5 THz宽频范围内的近场散射信号。本研究进一步揭示,近场探针末端的散射偶极矩是决定THz s-SNOM信号强度的关键机制,并明确了探针几何参数与近场信号之间的定量关系。基于优化后的近场探针,实现了石墨烯/溴硫铬异质结体系的太赫兹纳米成像与纳米光谱测量。结果表明,与石墨烯在太赫兹波段表现出的金属性不同,溴硫铬在该频段呈现电介质行为。本工作提出的探针优化策略突破了现有THz s-SNOM技术的灵敏度限制,为高性能太赫兹近场光学探针的设计提供了理论依据,对推动纳米光子学表征技术的发展具有重要意义。
关键词: 太赫兹散射式扫描近场光学显微镜    太赫兹纳米光谱成像    太赫兹近场探针    二维材料    太赫兹纳米光谱    
Probe optimization strategy based on terahertz scanning near-field optical microscopy
LI Yongle, LI Pengwei, YANG Xiaoyu, DING Chutong, ZHANG Hongbo, CHEN Shu     
School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: Terahertz scattering-type scanning near-field optical microscopy (THz s-SNOM) is a key technique for characterizing the optical and material properties of functional materials, including carrier dynamics, lattice vibrations, and phase transitions. However, the low signal-to-noise ratio of THz s-SNOM has limited its widespread application to some extent, which is particularly severe at low-frequency THz regimes (<2 THz). Therefore, effectively improving the signal-to-noise ratio of THz s-SNOM has become a critical issue that urgently needs to be addressed. This study focuses on the low signal-to-noise ratio issue of THz s-SNOM operating at 0.5–1.5 THz. By combining experiments and theoretical simulations, the influence of customized near-field probes with different geometric parameters on the signal intensity of THz s-SNOM was systematically investigated. The results indicate that increasing the apex size of the AFM probe can significantly enhance the near-field scattering signal over a broad frequency range of 0.5–1.5 THz. We further revealed that the scattering dipole moment at the tip apex was the key mechanism determining the THz s-SNOM signals intensity, and clarified the quantitative relationship between the probe geometric parameters and the near-field signal. Based on the optimized near-field probes, we further achieved THz nanoimaging and nanospectroscopy measurements of the graphene/CrSBr heterojunction. The results demonstrate that CrSBr exhibits dielectric behavior, which is distinct from the metallic response of graphene in the THz frequency region. The probe optimization strategy proposed in this work not only breaks through the sensitivity limitations of existing THz s-SNOM technology, but also provides a theoretical guidance for the design of high-performance THz near-field probes. This work is of great significance for promoting the advancement of nanophotonic characterization technologies.
Key words: terahertz scattering-type scanning near-field optical microscope    THz nanospectral spectroscopy imaging    THz near-field probe    two-dimensional materials    THz nano spectroscopy    

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。

1 实验结果与分析 1.1 THz s-SNOM的光路及工作原理

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 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(|Sn|)和相位(φn)信息[18]。

1.2 实验结果分析

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 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
2 仿真模拟

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Esca。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σs(正比于电场E)及针尖散射截面S进行计算

$ {E}_{\text{sca}}\propto p=\left| {\iint }_{s}{\sigma}_{{\mathrm{s}}}\textit z\text{d}S\right| $ (1)

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pz,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pz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 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
3 应 用

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 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 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。

4 结束语

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。

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