掃描近場光學顯微技術(SNOM)書寫的發展史詩

     「掃描近場光學顯微技術」 最早由科學研究工作者Edward Hutchinson Synge提出。根據觀察到的在一定壓力下電弧發出的通過孔徑僅為100nm的強聚焦平面光，他認為，利用這種小孔徑可以使光在樣品表面進行逐點掃描成像，同時採集被測量物質的光學信息，並大膽預測這一技術的實現將是照明探測研究領域中的巨大突破。在1956年和1972年，John A.O'Keefe與Ash and Nicholls進一步完善了該理論，並提出小孔探測原件儘可能接近樣品表面將有助於該技術的實現。1984年，第一臺利用可見光輻射進行測量的近場光學顯微鏡由Pohl等製造並使用，該顯微鏡通過探針在樣品表面保持數十納米的距離採集反饋信息，並在兩年後實現了高分辨成像。

     然而，傳統近場光學顯微鏡由於瑞利衍射極限（Rayleigh limitation），其解析度不僅受到孔徑尺寸的制約，也受到入射光波長1/2的限制。因此，對於sub-um的納米材料檢測成像時，傳統近場光學顯微鏡只能採用有限波長範圍的可見光，且難以獲得高清圖像信息。在中紅外領域，近場光學顯微技術對納米結構幾乎沒有用武之地。

     散射式近場光學顯微鏡利用AFM探針對雷射光束聚焦照明，在針尖附近激發一個納米尺度的增強近場信號區域。當針尖接近樣品表面時，由於不同物質的介電性質差異，近場光學信息將被改變。通過背景壓制技術對採集的散射信號進行解析，就能獲取到樣品表面的近場光學譜圖並進行成像。該技術突破了傳統孔徑顯微的限制，其解析度僅由AFM探針針尖的曲率半徑決定。

     德國Neaspec公司提供的最新一代近場光學顯微鏡NeaSNOM採用了這一散射式技術，最高解析度可達10nm，並通過專利式的贗外差數據分析模式，同時解析強度和相位信號，解決了納米材料尤其是在紅外光譜範圍的近場光學成像難題。

  利用贗外差技術實現了近場光學顯微鏡對強度和相位的同時成像

     最近五年以來（2011年至今）散射式近場光學顯微技術在局域表面等離子激元，無機材料表面波傳導，二維材料聲子極化，近場光電流，半導體載流子濃度，高分子材料鑑別和生物樣品成像等領域研究得到了廣泛的應用，已然成為推動光學物理、材料應用發展的重要工具。

     2016年，A.Y. Nikitin等通過波長10-12μm激發裁剪後的石墨烯納米諧振器，得到了大量共存的Fabry–Perot mode信息。通過理論分析其兩種等離子模式，即sheet plasmon和edge plasmon，發現後者體積僅為激發波長的10^-8倍。並通過理解edge plasmon的原理，可以促進一維量子發射器的開發，等離子激元和聲子在中紅外太赫茲探測器的研究，納米圖案化拓撲絕緣體等領域的進一步發展。

 

文章中5nm厚SiO2上的不同尺寸（394 × 73 nm (a), 360 × 180 nm (b) and 400 × 450 nm (c)）石墨烯納米諧振器，在11.31μm波長下的近場成像

     石墨烯由於其獨特性能被廣泛的認可為最具發展潛能的下一代光電設備材料，然而其納米級別性能的變化影響了宏觀行為，高性能石墨烯光電器件的開發受到了極大制約。AchimWoessner等結合紅外近場掃描納米顯微鏡和電子讀取技術，實現了紅外激發光電流的成像，並且精度達到了數十納米級別。通過研究邊際和晶界對空間載流子濃度和局域熱電性質的影響，實驗者證明了這一技術對封閉石墨烯器件應用的益處。

     近場光電流的工作原理示意圖以及中從晶粒間界處得到的光電流實際測量結果

     NeaSNOM是市場唯一一款散射型掃描近場光學顯微鏡，專利化的散射式核心設計技術，極大的提高了光學解析度，並且不依賴於入射雷射的波長，能夠在可見、紅外和太赫茲光譜範圍內，提供優於10nm空間解析度的光譜和近場光學圖像。 NeaSNOM中嵌入的一系列專利化探測和發光模塊，保證了譜圖的可靠性和可重複性，成為納米光學領域熱點研究方向的首選科研設備。

 

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