CN111665374B - 一种基于量子点的光纤探针及其检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到微区测温领域，公开了一种基于量子点的光纤探针及其检测系统。光纤探针由锥形光纤的尖端耦合量子点构成，将光纤探针固定在音叉上以实现近场检测，结合光学仪器及原子力显微镜，构成了近场检测系统。本发明的检测方法实现了同一区域内局域温度分布图像、表面形貌图像、近场光学图像的同时获取，为样品多角度分析提供了技术手段。检测方法突破了衍射极限的限制，实现了非光学技术及传统光学技术不能实现的高分辨率温度检测。

Description

一种基于量子点的光纤探针及其检测系统

技术领域

本发明属于微区测温领域，特别是涉及一种采用光纤探针的检测系统。

背景技术

随着各个技术领域研究的重点材料逐渐小型化，人们对纳米尺度热表征的方法产生浓厚兴趣，高分辨率的测温技术也成为相关领域的研究热点。目前，较为普遍的测温技术包括热电偶探针测温、扫描热场显微技术测温、光学测温等。热电偶探针中的回路由两种不同的导体或者半导体组成，两个结点处温度发生变化时，会产生与温度有关的电动势。然而，受技术水平限制，热电偶的空间分辨率较低，且只能进行单点测温，无法分析测量区域温度分布。扫描热场显微镜（SThM）则是借助原子力显微镜，使测温探针尽可能靠近样品，通过样品和针尖的热交换来测量物质表面的温度。但这一方法的局限性在于其使用的金属测温探针具有导电特性，并不适用电子器件等的测温环境。

相比其他测温技术，光学测温技术具有干扰较小、响应较快、可进行非破坏性检测等显著优势。目前，荧光光谱分析、拉曼散射光谱分析、光电流谱分析技术已被先后应用于材料、电子、生物等领域的热学研究，最高可以达到1μm的空间分辨率。但是传统光学器件受衍射极限的限制，只能获得微米尺度的空间分辨率，无法在常规状态下实现对纳米尺度的光学表征。

近场光学技术突破衍射极限的限制，为纳米尺度研究提供了新的可靠方法。近场光学显微镜（SNOM）研究的是纳米尺度下非传播的非均匀场及其物质的相互作用。SNOM按结构则可分为孔径型探针和无孔探针。其中，光纤孔径型探针是最常见的探针。光纤与晶振传感器粘连，通过压电传感器控制光纤至待测样品的距离小于可见光的半波长，从而获得亚波长尺度的光场分布信息。在此基础上，若对光纤加以修饰，形成功能性光纤探针，就可得到非光学信息。而量子点具有荧光寿命长、生物相容性好、发光性质对周围环境非常敏感的特点，是微纳尺度下测量光、电、磁、热等物理场的良好工具。若将对温度敏感的量子点耦合至近场光纤孔径型探针，则可以同时获得样品表面形貌图像、近场光学图像以及温度分布图像。

中国专利CN201910544844.5公开了一种单量子点扫描近场光学显微探针及体系、检测装置及方法，该专利使用单量子点修饰针尖，分析区域仅为针尖处单量子点尺寸区域，该专利只分析了样品表面形态，并未做其他角度分析；本申请除表面信息外又增加了温度信息；该专利对针尖量子点的激发方法为激光器从物镜直接照射到样品表面，由于光斑较大，针尖处的激发功率较弱；本申请经过光纤探针发出激发光，将激发光的激发区域缩小至针尖的区域，具有较高的激发功率；在该专利中，由于测量对象时需要一定扫描时间，在此时间内，荧光信号会不断受到外界干扰而发生变化，而本申请引入了内标，用于修正信号，避免上述问题。

发明内容

针对现有测温技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于量子点的新型近场测温探针及检测系统。这种新型近场测温探针能够弥补现有的分辨率低，外界干扰大的缺陷，实现高分辨率温度检测。同时，使用本系统可以实现样品微纳区域的局部温度分布成像，并且同时可以获得样品的表面形貌以及近场光学图像。

本发明通过一下技术方案得以实现：

一种基于量子点的光纤探针及其检测系统，包括尖端为锥形的光纤探针光纤探针的锥形尖端附着量子点，激光器发出的激发光从光纤探针尾端射入并从尖端射出至待样品，样品反射的光信号经过物镜进入光谱仪。

光纤探针锥区镀膜，保证出光区域为尖端纳米尺度的小孔，未镀膜的尖端附着量子点。

光纤探针固定在音叉上，音叉连接前置信号放大器和扫描反馈系统。

用于温度分布成像时：激光器的激发光经过空间耦合至物镜，光纤探针的尾端在物镜下聚焦，激发光经过光纤探针到达尖端，激发样品，得到的光学信号再经此光纤探针收集，并从光纤尾端通过物镜进入光谱仪。以光纤探针本身累积的拉曼信号作为内标矫正包含温度信息的荧光信号。

用于近场光学成像时：光纤探针尾端直接与激光器相连，激发光经光纤探针至样品表面进行激发，得到的光学信号由物镜收集进入光谱仪。

用于样品表面形貌时：固定于石英音叉上的锥形光纤探针尖端不断靠近样品台直至接触，前置信号放大器和扫描反馈系统根据反馈的剪切力得到样品表面形貌。

光纤探针与样品之间的距离由音叉通过剪切力距离反馈模式控制，检测过程中音叉始终竖直。

光纤探针由拉锥仪拉制，锥角、锥区长度、尖端直径等参数均可控。

所述的量子点具有温度敏感特性。

所述温度成像部分中，激发光由激光器射出，经过物镜，从光纤尾端耦合进光纤，光纤尖端收集到的包含样品信息的光再通过物镜进入光谱仪。所述样品表面形貌部分中，扫描时探针探测到的样品形貌信息由前置放大器放大后进入扫描反馈系统用于控制音叉。所述近场光学成像部分中，入射激光耦合进光纤后在尖端获得的含有近场光学信息的光由物镜收集后进入光谱仪。

进一步的，温度分布成像部分可以获得锥形光纤探针锥尖处量子点的荧光，通过荧光解析温度信息；样品表面形貌部分通过检测音叉振幅或相位的改变，判断样品的高低起伏；近场光学成像部分根据从激发光照射到样品表面后反射回来的光，可分析样品表面的细微结构。

本发明与现有技术相比的优点有：

（1）本发明可以获得样品同一个区域内温度分布图像，表面形貌图像，近场光学图像三个结果，有利于对样品进行多角度的全面分析。

（2）本发明激发光和收集到的荧光通过一根光纤传输，将光纤本身累积的拉曼峰位作为内标，可以矫正包含样品信息的荧光信号。

（3）本发明基于近场光学，突破传统光学的衍射极限，能够实现热电偶和传统光学检测方法无法达到的空间分辨率。另外，在检测不会产生额外的信号干扰。

（4）本发明可以获得一个局域的温度分布情况，而不仅仅局限于单点检测。

（5）本发明所述的检测方法不会改变样品的自身性质，也不会对样品造成损伤。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明图1中Ⅰ处的放大图；

图3是本发明图2中Ⅱ处的放大图；

图4是包含温度信息的荧光光谱图。

图中：1-前置信号放大器，2-扫描反馈系统，3-音叉，4-样品台，5-激光器，6-物镜，7-CCD，8-光谱仪，9-光纤探针，10-铝膜，11-光纤包层，12-光纤纤芯，13-量子点。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方法作进一步详细的说明，但本发明的保护范围并不局限于所述内容。

如图1、图2所示，基于量子点的新型近场测温系统包含了前置信号放大器1，扫描反馈系统2，音叉3，样品台4，激光器5，物镜6，CCD7，光谱仪8，光纤探针9，铝模10，光纤包层11，光纤纤芯12，量子点13。

光纤探针9固定在音叉3上，音叉3安装在空间位移装置上并和前置信号放大器1连接，前置信号放大器1连接扫描反馈系统2，可以根据音叉3在样品表面解除所产生的反馈力得到样品的形貌信息。光纤探针9由拉锥仪拉制，锥角、锥区长度、尖端直径等参数均可控，光纤探针9的锥区镀铝膜10，保证出光区域为尖端纳米尺度的小孔，保证纳米级空间分辨率，并在尖端附着多个量子点13，量子点13具有温度敏感特性，保证高温度灵敏度。激光器5射出的激发光从光纤探针9的尾端进入，这里设置两种光路，①号光路中激发光经过空间耦合至物镜6之后再射入光纤探针9的尾端，同时样品被激发后的光信号从光纤探针9尖端进入光纤，再从尾端通过物镜6进入光谱仪，②号光路中激光器5直接连接光纤探针9的尾端，样品被激发后的光信号不经过光纤探针9而是直接由物镜6收集。

图1展示了基于量子点的新型近场测温系统。本系统可以测量样品同区域的三种不同数据，在测量过程中，需对系统连接情况做些许改动。图中①号光路用于温度分布成像，此时，激光器5的激发光经过空间耦合至物镜6，光纤探针9尾端在物镜6下聚焦，激发光经过光纤探针到达尖端，激发样品，得到的光学信号再经此光纤探针，并通过物镜进入光谱仪。图中②号光路用于近场光学成像，此时，光纤探针尾端直接与激光器相连，激发光至样品表面进行激发，得到的光学信号由物镜收集，进入光谱仪。两种成像过程均可同时获得样品形貌信息。

图3展示了锥形光纤探针锥尖处的量子点13的分布情况。系统中使用的耦合了量子点13的锥形光纤探针9被竖直固定在石英音叉3的外臂上，石英音叉3在横向剪切力作用下产生的信号经电路板传输至前置放大器1放大，进入扫描反馈系统2处理，从而在探针扫描过程中，实现探针和样品间距离的实时控制，并得到包含某一区域内样品信息的信号。

光学信号系统可以获取两种信号成像，所以存在两种不同的模式。近场光学成像中，锥形光纤探针9尾端与激光器5连接，将激发光信号传输至锥尖处进行样品检测；样品表面反射回的光信号由物镜6获取后进入光谱仪8；之后CCD7将光谱仪8获取的信号转为计算机可处理的电信号。温度分布成像中，锥形光纤探针1尾端与物镜6连接，激发光从激光器5经光谱仪8耦合进光纤9中；样品表面反射回的光，以及锥尖处的荧光从光纤返回光谱仪8；再由CCD7转换成电信号。

图4所示为包含温度信息的荧光光谱，图中圈出部分为拉曼信号。在对样品进行扫描过程中，传输光信号的光纤受激发光激发，在固定峰位上产生拉曼信号，并且随着光纤长度的累加，信号强度逐渐增加。确定实验使用的光纤长度后，光纤产生的拉曼信号强度和峰位固定不变，可作为内标，用于矫正受环境等因素影响的荧光信号，提高准确性。

检测例一：

样品为嵌入一根金丝的抛光单晶硅片，金丝引出分别接在5V电源两端。由于金的电阻率较高，所以在金丝周围形成热场。在显微镜下选定的扫描区域含有金丝，金丝位置与扫描方向垂直。样品台4不断靠近探针，直至探针到达硅片表面，反馈系统收到信号，样品台4停止移动。将锥形光纤探针9尾端连接在物镜处，打开激光器5，光纤传输从物镜耦合的激发光，以及从硅片表面反射的光和量子点13荧光。检测过程中，样品台4水平移动，实现对硅片及金丝的逐点检测，硅片与探针的距离由反馈系统控制。这样可以同时获得表面形貌图像和温度分布图像，金丝所在区域高度高于硅片其他区域，并且金丝处温度高于周围温度。在保证扫描区域不变的情况下，将锥形光纤探针9尾端连接到激光器5，将激发光信号传输至锥尖处，硅片表面反射回的光信号由物镜6获取后进入光谱仪8。最后可以获得同一区域的近场光学图像。

检测例二：

样品为去封装的集成电路芯片，芯片外界电源及外围电路，保证芯片正常工作。选择测试的区域为某一PN结。当芯片处于工作状态时，PN结温度高于周围温度。在显微镜下选定PN结区域，并使整个芯片处于工作状态。样品台4不断靠近探针，直至探针到达芯片表面，反馈系统收到信号，样品台4停止移动。将锥形光纤探针9尾端连接在物镜处，打开激光器5，光纤传输从物镜耦合的激发光，以及从芯片表面反射的光和量子点13荧光。检测过程中，样品台4水平移动，实现对芯片的逐点检测，芯片与探针的距离由反馈系统控制。这样可以同时获得表面形貌图像和温度分布图像，芯片表面存在规则的电路分布，而PN结处温度高于周围温度。在保证扫描区域不变的情况下，将锥形光纤探针9尾端连接到激光器5，将激发光信号传输至锥尖处，硅片表面反射回的光信号由物镜6获取后进入光谱仪8。最后可以获得同一区域的近场光学图像。

Claims (9)

1.一种基于量子点的光纤探针检测系统，包括尖端为锥形的光纤探针（9），其特征在于：光纤探针（9）的锥形尖端附着多个量子点（13），激光器（5）发出的激发光从光纤探针（9）尾端射入并从尖端射出至待样品，样品反射的光信号经过物镜（6）进入光谱仪（8）；用于温度分布成像时：激光器（5）的激发光经过空间耦合至物镜（6），光纤探针（9）的尾端在物镜下聚焦，激发光经过光纤探针（9）到达尖端，激发样品，得到的光学信号再经此光纤探针（9）收集，并从光纤尾端通过物镜（6）进入光谱仪（8）。

2.根据权利要求1所述基于量子点的光纤探针检测系统，其特征在于：光纤探针（9）锥区镀膜，保证出光区域为尖端纳米尺度的小孔，未镀膜的尖端附着量子点（13）。

3.根据权利要求1所述基于量子点的光纤探针检测系统，其特征在于：光纤探针（9）固定在音叉（3）上，音叉（3）连接前置信号放大器（1）和扫描反馈系统（2），物镜连接CCD（7）。

4.根据权利要求3所述基于量子点的光纤探针检测系统，其特征在于用于近场光学成像时：光纤探针（9）尾端直接与激光器（5）相连，激发光经光纤探针（9）至样品表面进行激发，得到的光学信号由物镜（6）收集进入光谱仪（8）。

5.根据权利要求3-4任一项所述基于量子点的光纤探针检测系统，其特征在于用于样品表面形貌时：固定于石英音叉上的锥形光纤探针尖端不断靠近样品台直至接触，前置信号放大器（1）和扫描反馈系统（2）根据反馈的剪切力得到样品表面形貌。

6.根据权利要求5所述基于量子点的光纤探针检测系统，其特征在于：光纤探针（9）与样品之间的距离由音叉（3）通过剪切力距离反馈模式控制，检测过程中音叉（3）始终竖直。

7.根据权利要求3所述基于量子点的光纤探针检测系统，其特征在于用于温度分布成像时：以光纤探针（9）本身累积的拉曼信号作为内标矫正包含温度信息的荧光信号。

8.根据权利要求1-3任一项所述基于量子点的光纤探针检测系统，其特征在于：光纤探针（9）由拉锥仪拉制，锥角、锥区长度、尖端直径参数均可控。

9.根据权利要求1-3任一项所述基于量子点的光纤探针检测系统，其特征在于：所述的量子点具有温度敏感特性。

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