上海理工大学太赫兹技术创新研究院太赫兹显微成像检测仪

一.简介

太赫兹波长介于 30 µm 到 3 mm 之间,传统的太赫兹远场测量技术由于衍射极限无法获得亚波长空间分辨率,这极大地限制了其在微纳物质的结构探测、物性研究和成份分析等方面的应用。因此,突破衍射极限、实现纳米量级空间分辨的太赫兹显微成像和光谱测量是太赫兹技术发展的重要方向。

近场光学技术基于对物质表面倏逝波的测量,具有超分辨显微探测能力。其中,散射式近场扫描光学显微(scattering-type scanning near-field optical microscopy, s-SNOM)技术,利用纳米探针的近场散射把物质表面近场转换为可传播的辐射场,进而通过远场测量获取近场信息。s-SNOM的空间分辨率主要取决于纳米探针的针尖曲率半径、而与激发光波长无关,适合工作于可见-红外-太赫兹宽波段,是近年来纳米显微光学技术领域的重大突破之一。太赫兹测量技术与s-SNOM技术相结合,使太赫兹显微测量的空间分辨率提升到纳米量级,极大拓展了太赫兹测量技术在科学研究和微纳物质非接触式检测领域的应用前景。

上海理工大学太赫兹技术创新研究院在国内率先开展了THz s-SNOM关键技术研究和仪器系统研发工作。在科技部重点研发计划重大科学仪器设备开发专项(2017YFF0106304)的支持下,成功研发了全国产化的THz s-SNOM系统---太赫兹显微成像检测仪。该仪器具有显微成像和频谱测量功能,适合应用于太赫兹微纳光学研究和半导体材料、半导体微纳器件以及生物物质的表征分析领域。其采用模块化设计,可扩展性强,兼容太赫兹固态倍频源、太赫兹量子级联激光器、全光纤太赫兹时域光谱系统等辐射源;工作频段覆盖0.1-5.0 THz,空间分辨率高达20 nm,近场显微信号信噪比超过30:1,处于国内领先、国际先进水平。

二.工作原理

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图1. 太赫兹显微成像检测仪的工作原理示意图

该仪器使用针尖曲率半径为纳米量级的原子力显微镜(AFM)探针作为近场散射体,如图1所示。太赫兹源发射的太赫兹波经过自由空间光路模块,最终被紧聚焦于AFM纳米探针;太赫兹波和探针产生耦合,在针尖顶端形成太赫兹纳米局域场,其空间分布尺度主要取决于针尖的曲率半径;由于太赫兹波与纳米探针和针尖下方样品之间的近场耦合作用,纳米局域场被针尖和样品散射,转化为可传播场;然后在远场收集并检测散射波,通过信号处理提取出有效的近场信号,此信号中含有针尖下方样品局部的物质信息,能够反映样品的本征性质;使用AFM的纳米三维扫描平台对样品进行扫描,并同步记录保存太赫兹近场信号,完成扫描后得到样品的表面高度形貌图和太赫兹近场显微图。

三.技术特点

该仪器采用自主研发的太赫兹波传播调控技术、近场耦合与散射共振增强技术、近场散射信号放大和背景散射信号抑制技术、近场散射信号调制和解调技术,实现了超高空间分辨率的显微成像和对微弱近场散射信号的快速高信噪比测量,近场显微成像的空间分辨率优于20 nm,信噪比大于30,单点测量时间仅为0.1 s(如采用固态源最快可达10 ms),可应用于微纳半导体材料/器件中的载流子和缺陷分布表征、单个蛋白质或病毒的显微检测。

该仪器采用模块化设计,由太赫兹发射源和探测器模块、自由空间光路模块、近场耦合与散射模块、纳米扫描模块和信号处理模块组成,扩展性强,兼容太赫兹固态倍频源、太赫兹量子级联激光器、全光纤太赫兹时域光谱系统等辐射源,工作频段覆盖0.1-5.0 THz。

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 图2. 太赫兹显微成像检测仪的关键技术

四.主要参数

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五、成像效果

下图为500 GHz单频金材料表面缺陷成像图及其与AFM成像效果的对比。该图像扫描范围:2.8 mm*2.8 mm;信噪比>35:1;成像分辨率<20 nm。

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图4 太赫兹SNOM成像图及其和AFM对照图


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