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表征与建模

表征与建模

纳米级光学成像变得更简单,更便宜

波匹配SNOM
耦合成功。波长模式匹配为扫描近场光学显微镜提供了简单而高效的设置。信用:刘明

光学成像及其在纳米级分辨率下丰富的光谱信息的前景似乎实在是难以置信,而且对于许多实验室而言,这都是事实。衍射将常规光学显微镜的分辨率限制在照明光波长的一半左右–大约100纳米的可见光。尽管扫描近场光学显微镜(SNOM)超过了衍射极限,但是 刘明严若雪 加州大学河滨分校(UCR)的同事和他的同事在最近的一份报告中指出,尖端,仪器和光学设计的不断复杂化使该技术很好地发挥作用,这可能会对该技术的多功能性和可及性造成损害。他们的报告建议使用无透镜设置来优化该技术的效率,即使对于仅限于基本扫描探针设备的实验室也可以使用该透镜。

自1980年代以来,其他技术(例如扫描隧道技术和原子力显微镜)已能够实现远远超出衍射极限的分辨率。但是,光成像通过拉曼散射等相互作用提供了光谱细节,这是所得图像的额外维度,类似于从黑白到彩色的转移。分子中光与振动模式之间的相互作用会在从样品散射的光上留下标记的分子–拉曼散射–揭示了有关结构及其环境的详细程度,通常将它们描述为样本的“指纹”。通过合并他们的SNOM装置-本质上是一条银纳米线和一条涂有金的光纤,它们的尖端都呈锥形-Liu,Yan及其同事将这种彩色显像能力带到了标准的教学级扫描隧道显微镜中。

耦合问题

SNOM通过测量“近场”(围绕表面的光的分量),而不是从易于散射的结构传播的易于衍射的“远场”光来绕过衍射极限。为了捕获这种非传播的近场,一种方法是使用带入表面纳米内的光纤。然而,对于具有足够窄的端部以提取纳米级分辨率信息的光纤而言,将光从光纤射向样品并再次送回则是其自身的挑战。

“通过比人发丝直径小一千倍的微小针孔发出的光可不是小菜一碟,” Liu said. “一百万个光子或轻粒子中只有少数能通过针孔并到达您要看到的物体。一张单程票已经很困难了。一张带回有意义信号的往返票几乎是白日梦。”

这一挑战引起了人们对“无孔” SNOM的兴趣,其中金属纳米级尖端在样品表面散射近场以收集高分辨率的光学成像数据。然而,信号的背景噪声水平仍然使使用无孔SNOM难以获得高质量的纳米级信息,尽管使用了材料和几何结构来利用近场,但仍需进行精心设置和程序以使该技术正常运行通过避雷针和“等离子体共振”效应增强效果。

等离子描述了某些金属中电子在共振波长下对入射电磁场的一致响应方式。 SNOM研究人员经常在金属表面利用与这些振荡共振电子激发耦合的光子-“表面等离激元极化子”–以实现高度集中的集中电磁场,从而增强样品与光之间的相互作用,从而获得更好的光学测量结果。然而,波数的巨大差异可能使得难以耦合远场传播光和高度局限的局域表面等离子体激元模式。

细化差异

为了解决波数不匹配问题,UCR研究人员利用光纤逐渐变细的有效模指数逐渐降低以及由此产生的波长增加(与该指数成反比)来解决这一问题。严说:“远场光的波长随着它沿着逐渐变细的光纤行进而缓慢增加,而不会改变其频率。” “当它与位于光纤顶部的银纳米线中的电子密度波的波长匹配时,就会轰动!所有能量都转移到电子密度波上,开始在纳米线的表面上传播。”

研究人员确定了他们所描述的“唯一没有截止且可以有效地集中在锥形杆的顶点的模式”,即径向横向磁基模TM0。然后,他们在光纤中使用线性偏振光,它将耦合到该模式。然后,纳米线的末端逐渐减小到仅几纳米,以允许进行纳米分辨率的测量。在增加纳米线顶点的强度的同时,有效地将这种光纤耦合到TM0 SPP使背景照明最小化。

严告诉 物理世界作为杨培东研究小组的研究生,她如何在称为“纳米线内窥镜”,它使用锥形光纤将光耦合到氧化锡纳米线波导中,以将可见光导入哺乳动物活细胞的细胞内隔室。“内窥镜工作激发了将光耦合到等离激元波导以实现更严格的模式限制和光谱的电场增强的想法。 “了解该耦合系统以找出TM的高效激励的耦合条件是一个漫长的学习过程0 模式可以合成修饰纳米线的尖端形态以进行高分辨率成像,并将它们拼凑在一起。”

研究人员将该方法整合到用于教学的标准扫描隧道显微镜中,并以50%的效率对碳纳米管成像–光纤-纳米线-光纤耦合和将光聚集在纳米线末端时各占70%。

他们在报告中总结道:“基于光纤的近场纳米技术通过提供一种简便的解决方案,可以高效地进行纳米级光的注入和/或提取,作为现有高分辨率测量平台的插件模块,具有巨大的潜力,可提供互补的以及与空间相关的信息,包括分子组成(例如TERS),材料特性(例如带内和带内跃迁)和光电器件性能(例如光电流映射)。”

刘和燕的详细资料’与Sanggon Kim,余宁,马雪芝,朱阳之和刘秋石等同事的合作可在 自然光子学。 

 

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