Experimentella principer för infraröd passiv närfältsmikroskopi (SNoiM) och dess tillämpningar
Near-field radiation at the surface of an object is difficult to detect due to its swift-wave nature (i.e., the intensity decreases sharply as it moves away from the surface of the object). In SNoiM, this problem is effectively solved using the scanning probe technique. As shown in Fig. 1(b), when the nanoprobe is not introduced (or the probe is far away from the object surface), the near-field snappy waves near the surface of the object cannot be detected, and the microscope operates in the conventional infrared thermography mode, which obtains only the far-field radiated signals.The key of the SNoiM technique is to bring the probe close to the near-surface of the sample (e.g., within 10 nm) so that the near-field snappy waves can be effectively scattered by the tip of the probe. In this detection mode, both near-field and far-field components are present in the sample signal acquired by the probe. Therefore, by controlling the probe-to-surface spacing h, a mixed near-field and far-field signal (h < 100 nm, called near-field mode) or a single far-field signal (h >>100 nm eller tillbakadragande av sonden, kallat fjärrfältsläge) kan erhållas. I slutändan kan närfältsinformationen för objektet extraheras från fjärrfältsbakgrunden med hjälp av sondhöjdmodulerings- och demoduleringstekniker.
Närfältssignalerna som sprids av sonden samlas först upp av en infraröd objektivlins med hög numerisk bländare. De fjärrfältsutstrålade signalerna från omgivningen, DUT och själva instrumentet kan dock inte avbrytas i denna process, och de samlas in med närfältssignalerna av den infraröda objektivlinsen, vilket resulterar i svaga närfältssignaler av DUT förintas av den stora fjärrfältsbakgrundsstrålningen. För att minimera fjärrfältsbakgrundssignalerna designade forskarna en konfokal bländare med en mycket liten bländare (~100 μm) ovanför den infraröda objektivlinsen, vilket minskar uppsamlingsfläcken och effektivt undertrycker bakgrundsstrålningssignalerna. Men även med detta är det svårt att avgöra om det finns en tillräckligt känslig infraröd detektor som kan upptäcka de svaga närfältssignalerna som sprids av nanosonderna. För detta ändamål har vårt team utvecklat en ultrahög känslig infraröd detektor för att övervinna denna tekniska barriär.
Bland dem är den gyllene cylindriska kaviteten en kryogen Dewar, som bär den egenutvecklade ultrahögkänsliga infraröda detektorn (CSIP) och några optiska lågtemperaturkomponenter; den vita rutan visar det stämgaffelbaserade atomkraftmikroskopet (AFM), det infraröda insamlingsobjektivet och provstageområdet monterat i labbet. Den rumsliga upplösningen för IR-närfältsbilden är inte längre begränsad av sondens våglängd, utan bestäms av sondens spetsstorlek. Genom elektrokemisk etsmetod kan nanosonder av metall (volfram) med utmärkt morfologi framställas, i vilka spetsdiametern kan vara så liten som 100 nm eller mindre.
