NeaSNOM 超高分辨散射式近场光学显微镜

超高分辨散射式近场光学显微镜-neaSNOM

    neaSNOM是德国neaspec公司推出的第三代散射式近场光学显微镜（简称s-SNOM），其采用了散射式核心设计技术，提高了光学分辨率，并且不依赖于入射激光的波长，能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内，提供于10nm空间分辨率的光谱和近场光学图像。由于其高度的可靠性和可重复性，neaSNOM已成为纳米光学域热点研究方向的科研设备，在等离基元、纳米FTIR和太赫兹等众多研究方向得到了许多重要科研成果。

    近，neaspec公司成功开发了可见至太赫兹高分辨光谱和成像综合系统，将上述s-SNOM功能与纳米红外（FTIR）、针尖增强拉曼（TERS）、超快光谱（ultrafast）和太赫兹光谱（THz）进行联用，可以为广大科学工作者在等离子激元、二维材料声子化、半导体载流子浓度分布、生物材料红外表征、电子激发及衰减过程等的研究上提供相关支持。

neaSNOM近场光学显微镜技术点和势：

•  neaSNOM是目前上款十分成熟的s-SNOM产品

•  散射式近场光学测量技术

    —*的*10 nm空间分辨率

•  高阶解调背景压缩技术

    —在获得10nm空间分辨率的同时保持*的信噪比

•  干涉式近场信号探测单元

•  赝外差干涉式探测技术

    —能够获得对近场信号强度和相位的同步成像

•  反射式光学系统 

    —用于宽波长范围的光源：可见、红外以至太赫兹

•  高稳定性的AFM系统，

    —同时化了纳米尺度下光学测量 

•  双光束设计  

    —*的光学接入角：水平方向180°，垂直方向60° 

•  操作和样品准备简单 

    —仅需要常规的AFM样品准备过程

neaSNOM近场光学显微镜重要应用域：

应用案例

■  Science：石墨烯莫尔(moiré）超晶格纳米光子晶体近场光学研究

    光子晶体又称光子禁带材料。从结构上看，光子晶体是类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，其物理思想可类比半导体晶体。通过设计，这类晶体中光场的分布和传播可以被调控，从而达到控制光子运动的目的，并使得某频率范围的光子不能在其中传播，形成光子带隙。

    光子晶体中介质折射率的周期性结构不仅能在光子色散能带中诱发形成完整的光子带隙，而且在定条件下还可以产生维（1D）手性边界态或具有Dirac（或Weyl）准粒子行为的奇异光子色散能带。原则上，光子晶体的概念也适用于控制“纳米光”的传播。该“纳米光”指的是限域在导电介质表面的光子和电子的种耦合电磁振荡行为，即表面等离子体激元（SPPs）。该SPP的波长，λp，相比入射光λ0来说多可减少三个数量。如果要想构筑纳米光子晶体，我们需要在λp尺度上实现周期性介电结构，传统方法中采用top-down技术来构建纳米光子晶体，该方法在加工和制造方面具有较大的限制和挑战。

    2018年12月，美国哥伦比亚大学D.N. Basov教授在Science上发表了题为Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices的全文文章。研究者用存在于转角双层石墨烯结构（twisted bilayer grapheme, TBG）中的莫尔（moiré）超晶格结构，成功构筑了纳米光子晶体，并用德国neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM研究了其近场光导和SPP性，证明了其作为纳米光子晶体对SPP传播的调控。

 ■  纳米近场成像对钙钛矿太阳能电池的研究

    苏州大学Q.L. Bao教授等人在钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为和载流子浓度分布等域作出了突出贡献。2016年，发表在ACS Nano上的钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为的研究中，作者用Neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM发现：1. 未施加外场电压时， 该微纳米线区域中载流子密度（图1 g. s-SNOM振幅信号）和光折射率（图1 g. s-SNOM相位信号）较均匀；2. 施加外场正电压时，该区域中载流子密度随I-离子（Br−）的迁移而向右移动（图1 h. s-SNOM振幅信号），其光折射率随随MA+离子（CH3NH3+）的迁移而向左移动（图1 g. s-SNOM相位信号）较均匀；3. 施加外场负压时，情况正好与施加正电压时相反（图1 i）。该研究显示弄清无机-有机钙钛矿结构中的离子迁移行为对于了解钙钛矿基的殊光电行为具有重要意义，进而为无机-有机钙钛矿材料的光电器件应用打下了坚实的基础。

图1.SNOM测量钙钛矿结构微纳米线的光电转换的离子迁移行为。

d-f. 离子迁移测量示意图；g-i,相应的s-SNOM光学信号振幅和相位图

    2017年， Q.L. Bao教授等人发表在AdvanceMaterials的文章中再次用Neaspec公司的近场光学显微镜neaSNOM，*在实验中研究了太阳能电池表面钙钛矿纳米粒子涂层的载流子密度。结果显示：钙钛矿纳米粒子覆盖区域近场信号强度高于Si/SiO2区域中信号强度（参见下图2 b; 图2 a为对应区域的形貌）。另外作者也研究了增加光照的时间的影响（参见下图2 c, d）。其结果显示：近场信号强度随光照时间增加，从12.5 μV (黄色，0 min) 增加到 14.4 μV (红色, 60 min)，该近场信号反映了可移动自由载流子密度的变化。终，红外光neaSNOM研究结果证明：随光照时间增加，太阳能电池表面的钙钛矿纳米粒子涂层富集和捕获了大量的电子。

参考文献：

1、Wang Y.H.; et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. Advanced Material 2017, First published: 3 March 2017; DOI: 10.1002/adma.201606370.

2、Zhang Y.P.; et. al. Reversible StructuralSwell−Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic−OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031−7038. 

■  丝纤蛋白电调控构象转变及其光刻应用的纳米红外研究 

    中科院微系统所陶虎教授带的研究团队用neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM高化学敏感和10 nm空间分辨的势，在纳米尺度近分子水平研究了电调控下丝蛋白中的多形态转变。 该研究在纳米尺度实现了蛋白质结构转换的探测，结合纳米精度的电子束光刻技术能为我们在二维及三维尺度实现丝蛋白的结构控制提供有力的方法；同时该工作为开启纳米尺度的蛋白质结构研究和探究蛋白质电诱导构象变化的临界条件铺平了道路；为未来设计基于蛋白质的纳米结构提了供新的规则。

参考文献：
1. Nanoscale probing of electron regulated structural transitions in silk proteins by near field IR imaging and nano-spectroscopy， Nature Comm. 7:13079 
2. Precise Protein Photolithography (P3): High Performance Biopatterning Using Silk Fibroin Light Chain as the Resist, Adv. Sci. 2017, 1700191 

■  可调谐低损耗维InAs纳米线的表面等离激元研究 

    亚波长下光的调控与操纵对缩小光电器件的体积、能耗、集成度以及响应灵敏度有着重要意义。其中，外场驱动下由电子集体振荡形成的表面等离激元能将光局域在纳米尺度空间中，是实现亚波长光学传播与调控的有效途径之。然而，表面等离激元技术应用的关键目标是同时实现：①高的空间局域性，②低的传播损耗，③具有可调控性。但是，由于金属表面等离激元空间局域性较小，在长波段损耗较大且无法电学调控限制了其实用化。

    由中科院物理所和北京大学组成的研究团队报道了砷化铟（InAs）纳米线作为种等离激元材料可同时满足以上三个要求。作者用neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM，在纳米尺度对砷化铟纳米线表面等离激元进行近场成像并获得其色散关系。通过改变纳米线的直径以及周围介电环境，实现了对表面等离激元性质的调控，包括其波长、色散、局域因子以及传波损耗等。作者发现InAs纳米线表面等离激元展现出：①制备简易，②高局域性，③低的传波损耗，④具有可调控性，这为用于未来亚波长应用的新型等离子体电路提供了个新的选择。该工作发表在高水平的Advanced Materials 杂志上。

参考文献：

Tunable Low Loss 1D Surface Plasmons in InAs Nanowires，Yixi Zhou, Runkun Chen, Jingyun Wang, Yisheng Huang, Ming Li, Yingjie Xing, Jiahua Duan, Jianjun Chen, James D. Farrell, H. Q. Xu, Jianing Chen， Adv. Mater. 2018, 1802551

https://doi.org/10.1002/adma.201802551 

■  范德华材料异质结构的近场纳米成像研究 

    范德华材料拥有整套不同的激元种类，在所有已知材料中的具有高的自由度。德国neaspec公司提供的进近场成像方法（s-SNOM）允许化波在范德华层或多层异质结构中传播时被激发和可视化，从而被广泛应用到范德华材料激元的研究中，为研究人员对范德华材料体系中激元的激发、传播、调控等研究提供了有力的工具。另方面，范德华材料系统中激元的点是它们具有的电可调性。此外，在由不同的范德华层构成的异质结构中，不同种类的激元相互作用，从而可以在原子尺度上实现激元的控制。德neaspec公司提供的纳米光谱（nano-FTIR）和纳米成像成功被研究人员用于激元的调控等研究中，通过实验证实，研究人员已经成功开启了操控激元相关纳米光学现象的多种途径。

范德华材料中激元的进近场光学可视化成像研究：

A、石墨烯中Dirac等离激元；B、 石墨烯纳米共振器边缘的等离激元；C、碳纳米管中的维等离激元；D、 石墨烯-六方氮化硼moiré 超晶格体系中的超晶格等离激元；E、六方氮化硼上石墨烯的杂化等离子-声子激元；F、WSe2中的激子激元；G、 双曲六方氮化硼中的声子激元及波导传播

参考文献：

Basov, D. N et. al Polaritons in van der Waals materials, Science, 354, aag1992(2016). DOI: 10.1126/science.aag1992

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用户单位

部分用户好评与列表（排名不分后）

neaspec公司产品以其稳定的性能、*的空间分辨率和良好的用户体验，得到了国内外众多科学家的认可和肯定......

	Prof. Dmitri Basov 美国 加州大学  University of California San Diego	"The neaSNOM microscope with it’s imaging and nano-FTIR mode is the most useful research instrument in years, bringing genuinely new insights."
	Dr. Jaroslaw Syzdek 美国 劳伦斯伯克国家实验室 Lawrence Berkeley National Laboratory	"We were looking for a flexible research tool capable of characterizing our energy storage materials at the nanoscale. neaSNOM proofed to be the system with the highest spatial resolution in infrared imaging and spectroscopy and brings us substantial new insights for our research”
	陈焕君 教授 中山大学 Sun Yat-sen University	"The neaSNOM microscope boosted my research in plasmonic properties of noble metal nanocrystals, optical resonances of dielectric nanostructures, and plasmon polaritons of graphene-like two dimensional nanomaterials."
	Prof. Rainer Hillenbrand Research Center Co-Founder and Scientific Advisor	"After many years of research and development in near-field microscopy, we finally made our dream come true to perform infrared imaging & spectroscopy at the nanoscale. With neaSNOM we can additionally realize Raman, fluorescence and non-linear nano-spectroscopy."
	Dr. Dangyuan Lei The Hong Kong Polytechnic University Department of Applied Physics Hong Kong	"We propose to establish a complete set of nano-FTIR and scattering-type SNOM in order to stay competitive in nanophotonics research as well as to maintain our state-of-the-art design and fabrication of novel nanomaterials. Only because of the unique technology from neaspec we were able to win this desirable university grant."
	Prof. Dan Mittleman Brown University School of Engineering USA	"The neaSNOM near-field microscope and it’s user-friendly software offer us an incredible flexibility for the realization of our unique experiments – without compromises in robustness, handling and ease-of-use."
	Dr. Raul Freitas Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) Brazil	"The great stability and robustness of the neaSNOM are key features for serving our diverse user’s demands. The neaSCAN software is user-friendly and intuitive allowing fresh users to quickly start measuring."
	Prof. Dr. Rupert Huber University of Regensburg Department of Phyics Germany	"The unique dual beam-path design of the neaSNOM near-field microscope makes neaspec the natural choice for ultrafast spectroscopy at the nanoscale."

国内部分用户（排名不分后）：