CN112611890B - Stm针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种STM针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法，其中的装置包括激光器、STM针尖、针尖压电位移台、样品台、光谱仪、锁相放大器和前置放大器，样品台用于承载测试样品并带动测试样品移动；激光器用于发出激光束并聚焦于测试样品表面形成光斑；STM针尖垂直于测试样品表面并指向光斑的中心；针尖压电位移台用于驱动STM针尖垂直于测试样品表面做高频振动，在测试样品表面诱导出增强光信号；光谱仪用于采集测试样品表面的光信号并转换电信号；前置放大器用于对光谱仪转换成的电信号进行放大；锁相放大器用于从前置放大器放大后的电信号中提取出与增强光信号同频的信号，获得二维空间成像。本发明能够消除背景光信号，实现增强光信号的提取。

Description

STM针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法

技术领域

本发明涉及原子量级分辨光谱成像技术领域，特别涉及一种STM针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法。

背景技术

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，简称STM)可以实现原子量级的材料电子分布探测，获得了超级的原子尺度空间分辨能力，它为理解和掌握单分子、纳米结构和低维材料提供了有用信息，为认识纳米尺度电子态和量子化效应提供强有力的手段。STM探针的针尖一般采用贵金属材质，而且具有极小的曲率半径，在激光的诱导下，可以局域化被测材料表面的等离子被，在被测材料表面产生针尖增强的荧光和拉曼散射，这为获得原子尺度分辨的拉曼散射或荧光提供了基础，但由于原子尺度的空间产生的荧光或拉曼散射信号往往被掩灭在周围大尺度的平均信号里，难以分辨出来，所以提取出纳米尺度范围的光信号尤为关键。

由于衍射极限的局限，光学信号的空间分辨长期不能突破，直到如受激发射淬灭加径向光场等新技术的兴起，突破了光学衍射极限，才实现了超分辨的荧光显微。基于光信息来直接观察纳米甚至亚纳米尺度的分子原子空间信息，对更深刻地理解微观尺度上的原子或分子行为是极其重要的。光的发射或散射除了强度信息之外，还可以提供能量分布、动量和动态的相位等可以掌握材料中的原子分子在实现器件功能化时的空间特征。近几年来，纳腔概念和探针技术也被引入到荧光和光散射成像领域，纳腔概念与探针技术相结合的设计，大大提高了光信号(拉曼与荧光)在纳米微观区域的增强效果，观察到了分子水平的空间结构拉曼图像，其设计思路是将单个分子被水平放置在金属面上，当探针在分子附近扫描时，探针的针尖与金属面之间会产生一个亚纳米尺度的局域增强电场，若位于分子中某些原子团的上方，局域的增强电场和针尖/分子间电荷转移会数个数量级地加大振动模式的拉曼散射信号或偶极耦合的荧光，而在耦合原子团之间的某些位置上方，由于与针尖的距离变化，场增强拉曼会衰减，从而产生信号对比度，获得分子尺度的空间分布拉曼散射图像或分子上的荧光图像。

到目前为止，基于STM针尖增强光的空间扫描成像，针尖增强拉曼和荧光信号都是直接提取光信号，并未彻底地消除光散射或荧光背景，即针尖增强光信号和背景光信号(如针尖下材料周围的部分也会被激发激光束辐照，产生光的散射或发射荧光)混合被收集系统捕获，转换成电信号。而且针尖增强光(包括光散射和光发射)空间扫描成像，都是采用针尖平扫模式，利用被探测物的原子分布空间结构差异造成光信号变化直接做衬度对比，实现空间图像。这样的设计无法提高针尖增强光那部分光信号的信噪比，所以现在的技术测试的对象或者现在被报道出来的研究工作只能针对单类的分子，而且被放置在能消除背景的衬底上，如在金膜上再外延上一层NaCl薄层，这样来消除金等离子体效应的荧光背景。如果面对的是有光散射或荧光背景的材料体系，如半导体膜的点缺陷区域的荧光或拉曼，现有技术完全无法有效的提取针尖增强光信号，因为半导体材料本身的光发射和光散射很强，由于针尖有效作用面积下的原子团数量与激光束斑所辐照面下的原子团数量比在10^-8以上，针尖增强光信号部分会大幅度受到这一激光辐照面的背景影响。所以对于某些研究对象，这是一个不可避免的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出了一种STM针尖增强光信号空间成像装置及其成像方法，通过STM针尖在测试样品表面的上方一定高度范围内做固定频率的高频振动，利用锁相放大技术，消除测试样品的背景光信号，实现针尖增强光信号的提取，获得原子量级光响应模式的空间图像。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的STM针尖增强光信号空间成像装置，包括激光器、STM针尖、针尖压电位移台、样品台、光谱仪、锁相放大器和前置放大器；其中，样品台用于承载测试样品并带动测试样品沿水平方向移动；激光器用于发出激光束并聚焦于测试样品表面形成光斑；STM针尖垂直于测试样品表面并指向光斑的中心；针尖压电位移台用于驱动STM针尖垂直于测试样品表面做高频振动；其中，当STM针尖处于高频振动的最低点时，在测试样品表面诱导出增强光信号；光谱仪用于采集测试样品表面的光信号并转换电信号；前置放大器用于对光谱仪转换成的电信号进行放大；锁相放大器用于从前置放大器放大后的电信号中提取出与增强光信号同频的信号，获得二维空间成像。

优选地，STM针尖高频振动的低点位置相距测试样品表面0.1～1nm，STM针尖高频振动的高点位置相距测试样品表面3～10nm。

优选地，驱动针尖压电位移台的波形为正弦波。

优选地，STM针尖高频振动的振动频率为1KHz～500KHz。

优选地，STM针尖高频振动的振动频率波动小于0.1％。

优选地，光谱仪的狭缝范围为0.5nm～3nm。

本发明提供的STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法，包括如下步骤：

步骤S1、通过样品台带动测试样品沿水平方向移动，同时通过激光器发出激光束，使其聚焦于测试样品的表面形成光斑；

步骤S2、通过针尖压电位移台驱动STM针尖垂直于光斑的中心做高频振动，在STM针尖处于高频振动的最低点时，于测试样品的表面诱导出增强光信号；

步骤S3、通过光谱仪采集测试样品表面的光信号并转换电信号，再通过前置放大器进行放大；

步骤S4、通过锁相放大器从放大后的电信号中提取出与增强光信号同频的信号，获得二维空间成像。

优选地，STM针尖高频振动的低点位置相距测试样品表面0.1～1nm，STM针尖高频振动的高点位置相距测试样品表面3～10nm。

优选地，驱动针尖压电位移台的波形为正弦波。

优选地，STM针尖高频振动的频率为1KHz～500KHz，且振动频率波动小于0.1％。

本发明能够取得以下技术效果：

针对高背景光情况，采用STM针尖在测试样品表面的上方一定高度范围内做固定频率的高频振动，调制针尖增强光散射和荧光强度的同步改变，利用锁相放大技术消除测试样品的背景光信号，提高信噪比，减少由于针尖位置随机带来的噪声。避免直接测试时针尖与测试样品表面的距离波动引起的信号浮动产生的系统噪音，提升系统的信噪比，提高STM针尖增强光响应信号的可靠性。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的STM针尖增强光信号空间成像装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的针尖压电位移台的驱动电压输出波形示意图；

图3是根据本发明一个实施例的STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法的流程示意图。

其中的附图标记包括：激光器1、STM针尖2、针尖压电位移台3、光谱仪4、前置放大器5、锁相放大器6、测试样品7。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

STM针尖与光场耦合会增强针尖近场下的材料光散射和光发射强度，理论上预测针尖金属表面局域等离子体效应诱导材料拉曼散射强度增强六到八个数量级，这样就为单分子拉曼和荧光探测或材料单个点缺陷振动模式的拉曼光谱探测提供了条件。但在光激发条件下，由于光衍射极限的限制，激发光(不论是激光还是常规光源)在辐照材料上作用的光斑尺度，不论是面上还是纵深，都是与波长等量级大小。而在实际设备中能采用的光学设计要求，特别是STM系统空间限制和针尖运动与观测要求，光汇聚和信号收集系统的透镜与材料测试点之间的距离不能太近，一般设备此距离要大于10mm，这样透镜的数值孔径就不能太大，进而激发光斑的实际尺寸就是波长的数倍乃至十倍以上。被光激发的材料区域内原子数量与针尖有效作用面积下的原子数量比，有六到七个数量级的差距。被光激发的材料区域产生的光散射与荧光就是一个巨大的背景光信号，若针尖增强光的光谱与周围区域的光谱在能量上不交叠，增强光信号的提取还算便利，但在实际情况中，特别是测试带有基体的材料时，往往针尖增强光的光谱与周围区域的光谱在能量分布上是交叠的。这一交叠对信号观测的影响就如同在远处拿放大镜观测山上的树木，极难获得细节和准确的信息，必须爬到山上树木的近旁，用放大镜观察，才能抹掉山的背景，看清具体细节。

本发明基于这一思路，采用STM针尖竖直周期位移结合锁相放大的方式，扣除激光束激发诱导的材料本征光发射与光散射，即消除背景光信号，提取出STM针尖增强的那部分光信号，获得原子量级光响应模式空间图像。

以下将结合附图对本发明的实施例的具体方案进行详细描述。

图1示出了根据本发明一个实施例的STM针尖增强光信号空间成像装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的STM针尖增强光信号空间成像装置，包括：激光器1、STM针尖2、针尖压电位移台3、光谱仪4、前置放大器5、锁相放大器6和样品台。

样品台实际为一个二维移动平台，用于承载测试样品7，并带动测试样品7沿水平方向进行X轴方向和Y轴方向的移动，实现二维空间成像。因二维移动平台为现有技术，故在此不再赘述。

激光器1用于发出激光束并聚焦于测试样品7表面形成光斑。激光器1的波长选择在可见光波段与近红外波段均可，激光的输出模式为稳态或高脉冲重复频率(>1MHz)。

STM针尖2为金属针尖，其位于测试样品7表面的上方且垂直于测试样品7表面，并指向激光器1发出的激光束在测试样品7表面形成的光斑的中心位置。

针尖压电位移台3用于驱动STM针尖2垂直于测试样品7表面做高频振动。当STM针尖2处于高频振动的最低点时(即STM针尖2距离测试样品7表面最近的位置)，在测试样品7表面诱导出增强光信号；当STM针尖2处于高频振动的最高点时(即STM针尖2距离测试样品7表面最远的位置)，降低STM针尖2在测试样品7表面的光增强效果。STM针尖2的高频振动实际为垂直于测试样品7表面以固定频率执行的周期性机械位移运动。

由此可知，本发明实施例通过针尖压电位移台3驱动STM针尖2垂直于测试样品7表面做高频振动，是为了保证在高频振动的低点位置能诱导足够倍增量级的增强光信号，在高点位置既能消除STM针尖2在测试样品7表面的增强效果又要保证机械高频次位移的可靠性和与STM装置的适配(包括驱动响应的带宽，功耗与热效应等)。

由于STM针尖2增强的分子荧光强度随STM针尖2与分子间距离的增加成指数衰减，在5nm的变化范围，针尖荧光强度衰减了将近7个数量级。基于实验数据与理论分析，考虑到不同的针尖曲率半径和测试材料的介电特性的差异导致增强效果演化的变化，为优化消减背景效果和系统响应，本发明将STM针尖2的机械运动位移的高点位置的范围设定距离测试样品7表面3到10nm，低点位置为STM图像扫描的最优点，大约在0.1～1nm范围优化。在STM针尖2垂直于测试样品7表面向上位移时，会导致STM针尖2的增强效果衰减，但若STM针尖2垂直位移的高点设置过小，小于3nm时，由STM针尖2移动引起的荧光或光散射强度的差异会叠代上激光诱导的背景荧光和光散射波动噪音，从而导致信噪比较低，不足以提取到准确可靠和清晰的信号；而若STM针尖2垂直位移的高点设置过高，由于系统的品质因子影响，在高重复频率时STM针尖2运动阻尼变大，所以高点位置将其限制不大于10nm。因此本发明将STM针尖2垂直位移的高点范围控制在3-10nm。

STM针尖2的振动频率应高于1KHz，考虑到针尖压电位移台3的响应带宽以及针尖头和压电陶瓷台的质量，系统的Q因子特性，STM针尖2的振动频率不高于500KHz。

在本发明的一个具体实施例总，STM针尖2的振动频率选择在10KHz。为了实现面扫描成像，必须要保证较高的取样频率，才能在短时间内获得图像。STM针尖2的振动频率制约着采样的灵敏度和信噪比，为了获得高准确和可靠的光谱线信号，较高的频率能消除一些类型的电学噪声。

针尖压电位移台3要保证STM针尖2做垂直方向的高频振动，这样针尖压电位移台3的驱动器在电路设计输出的电压随时间变化模式须为正弦式，即针尖压电位移台3的驱动波形为正弦波，如图2所示，在峰峰电压波动<10％峰值。

光谱仪4用于采集测试样品7表面的光信号并转换电信号。光谱仪4采集的光信号中包括STM针尖2在测试样品7表面诱导出的增强光信号和本征光信号(也就是背景光信号，包括光发射和光散射)，通过锁相方式，抑制背景光信号，从而从光信号中提取出增强光信号。

光谱仪4采用配有窄带edge或notch滤波片的PMT探测器高分辨光谱仪，光谱仪4的光谱分辨率要高于5cm^-1，光谱仪4的响应波长范围应覆盖激光波长，并扩展到激光波长两侧或长波侧4000cm^-1以外。

在光谱仪4做扫描之前，优先采用CCD探测模式，确认STM针尖2诱导的增强光谱的相应谱线，并设置光谱仪4在相应谱线探测，优化狭缝尺寸。

对于测试样品7中的特殊局域化结构，光谱可能存在一定的结构，如多谱线或带谱，对于带谱要选择光谱的峰位附近，光谱仪4的狭缝可以适度加大，如3nm；对于线型谱，要定位在谱线上，并且光谱仪4需要设置小的狭缝，如0.5nm，甚至更低。

前置放大器5用于对光谱仪4转换成的电信号进行放大，并将放大后的电信号输送至锁相放大器6。

锁相放大器6用于从前置放大器放大后的电信号中提取出与增强光信号同频的信号，获得二维空间成像。锁相放大器6的触发信号由针尖压电位移台3的驱动器提供同步信号。

由于采用针尖压电位移台3和样品台的双控制，会带来系统空间分辨率的降低，所以要锁定STM针尖2的振动频率和相位，避免由于频率漂移带来的噪音，STM针尖2的振动频率的波动不能超过0.1％。

考虑到系统阻尼造成的相位变化，锁相放大器要做必要相位优化调节，达到响应信号最大，同时抑制噪音背景强度，实现高速的模拟信号转换下测试样品7光信号的纳米尺度乃至亚纳米尺度二维空间成像。

由于本发明采集的是模拟信号，因此能够提高系统的响应速率，在高重复频率下，可以实现对大面积的扫描和精细高空间分辨。

上述内容详细说明了本发明提供的STM针尖增强光信号空间成像装置的结构及其工作原理。与上述STM针尖增强光信号空间成像装置相对应，本发明还提供一种利用STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法。

图3示出了根据本发明一个实施例的STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法的流程。

如图3所示，本发明实施例提供的STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法，包括如下步骤：

步骤S1、通过样品台带动测试样品沿水平方向移动，同时通过激光器发出激光束，使其聚焦于测试样品的表面形成光斑。

样品台为二维移动平台，带动测试样品沿X轴方向和Y轴方向移动。

激光器的波长为可见光波段或近红外光波段，激光的输出模式为稳态或高脉冲重复频率(>1MHz)。

步骤S2、通过针尖压电位移台驱动STM针尖垂直于光斑的中心做高频振动，在STM针尖处于高频振动的最低点时，于测试样品的表面诱导出增强光信号。

使STM针尖在测试样品表面的上方做固定频率的高频振动，是为了保证在STM针尖处于低点位置时，能诱导足够倍增量级的增强光信号，在高点位置时，既能消除STM针尖在测试样品表面的增强效果又要保证机械高频次位移的可靠性和与STM装置的适配。

考虑到不同的针尖曲率半径和测试材料的介电特性的差异导致增强效果演化的变化，为优化消减背景效果和系统响应，本发明将STM针尖的高点位置设定在距离测试样品表面的3nm到10nm范围内，低点位置设置在STM图像扫描的最优点，大约在0.1nm附近。在STM针尖垂直于测试样品表面向上位移时，会导致STM针尖的增强效果衰减，但若STM针尖垂直位移的高点设置过小，小于3nm时，由STM针尖移动引起的荧光或光散射强度的差异会叠代上激光诱导的背景荧光和光散射波动噪音，从而导致信噪比较低，不足以提取到准确可靠和清晰的信号；而若STM针尖垂直位移的高点设置过高，由于系统的品质因子影响，在高重复频率时STM针尖运动阻尼变大，所以高点位置将其限制不大于10nm。因此本发明将STM针尖垂直位移的高点范围控制在3-10nm。

为了达到高灵敏度，针尖振动频率应高于1KHz，考虑到STM针尖的压电陶瓷驱动器响应带宽以及针尖头和压电陶瓷台的质量，系统的Q因子特性，针尖振动频率不高于500KHz。

步骤S3、通过光谱仪采集测试样品表面的光信号并转换电信号，再通过前置放大器进行放大。

光谱仪采用配有窄带edge滤波片或notch滤波片的PMT探测器高分辨光谱仪。光谱仪的光谱分辨率要高于5cm^-1，光谱仪响应波长范围应覆盖激光波长，并扩展到激光波长两侧或长波侧4000cm^-1以外。

在光谱仪做扫描之前，优先采用CCD探测模式，确认STM针尖诱导的增强光谱的相应谱线，并设置光谱仪在相应谱线探测，优化狭缝尺寸。

对于测试样品中的特殊局域化结构，光谱可能存在一定的结构，如多谱线或带谱，对于带谱要选择光谱的峰位附近，光谱仪的狭缝可以适度加大，如3nm；对于线型谱，要定位在谱线上，并且光谱仪需要设置小的狭缝，如0.5nm，甚至更低。

步骤S4、通过锁相放大器从放大后的电信号中提取出与增强光信号同频的信号，获得二维空间成像。

在对测试样品表面扫描之前，首先确定测试样品的发射光谱或拉曼光谱，并选定特定的发射谱或拉曼谱的某个谱线，并将光谱仪定位到该谱线，优化锁相放大器的参数，获得最大响应信号，然后进行测试样品表面扫描。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种STM针尖增强光信号空间成像装置，其特征在于，包括激光器、STM针尖、针尖压电位移台、样品台、光谱仪、锁相放大器和前置放大器；其中，

所述样品台用于承载测试样品并带动所述测试样品沿水平方向移动；

所述激光器用于发出激光束并聚焦于所述测试样品表面形成光斑；

STM针尖垂直于所述测试样品表面并指向所述光斑的中心；

所述针尖压电位移台用于驱动所述STM针尖垂直于所述测试样品表面做高频振动；其中，所述STM针尖高频振动的振动频率为1KHz～500KHz，当所述STM针尖处于高频振动的最低点时，在所述测试样品表面诱导出增强光信号；

所述光谱仪用于采集所述测试样品表面的光信号并转换电信号；

所述前置放大器用于对所述光谱仪转换成的电信号进行放大；

所述锁相放大器用于从所述前置放大器放大后的电信号中提取出与所述增强光信号同频的信号，获得二维空间成像。

2.根据权利要求1所述的STM针尖增强光信号空间成像装置，其特征在于，所述STM针尖高频振动的低点位置相距所述测试样品表面0.1～1nm范围，所述STM针尖高频振动的高点位置相距所述测试样品表面3～10nm。

3.根据权利要求1所述的STM针尖增强光信号空间成像装置，其特征在于，驱动所述针尖压电位移台的波形为正弦波。

4.根据权利要求1所述的STM针尖增强光信号空间成像装置，其特征在于，所述STM针尖高频振动的振动频率波动小于0.1％。

5.根据权利要求1所述的STM针尖增强光信号空间成像装置，其特征在于，所述光谱仪的狭缝范围为0.5nm～3nm。

6.一种STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、通过样品台带动测试样品沿水平方向移动，同时通过激光器发出激光束，使其聚焦于所述测试样品的表面形成光斑；

步骤S2、通过针尖压电位移台驱动STM针尖垂直于所述光斑的中心做高频振动，在所述STM针尖处于高频振动的最低点时，于所述测试样品的表面诱导出增强光信号；其中，所述STM针尖高频振动的振动频率为1KHz～500KHz；

步骤S3、通过光谱仪采集所述测试样品表面的光信号并转换电信号，再通过前置放大器进行放大；

步骤S4、通过锁相放大器从放大后的电信号中提取出与所述增强光信号同频的信号，获得二维空间成像。

7.如权利要求6所述的STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法，其特征在于，所述STM针尖高频振动的低点位置相距所述测试样品表面0.1～1nm，所述STM针尖高频振动的高点位置相距所述测试样品表面3～10nm。

8.根据权利要求6所述的STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法，其特征在于，驱动所述针尖压电位移台的波形为正弦波。

9.根据权利要求8所述的STM针尖增强光信号空间成像装置的成像方法，其特征在于，所述STM针尖高频振动的振动频率波动小于0.1％。

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