CN113252947B - 基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，涉及近场扫描显微成像技术领域，该方法包括：加热样品台、原子力显微镜、探测器、计算机以及多根探针，原子力显微镜设置在加热样品台上，且原子力显微镜上靠近加热样品台一侧设置有探针，多根探针与加热样品台之间存在间隔，探测器设置在原子力显微镜上，且探测器与计算机之间信号连接。本发明能够有效解决现有近场扫描显微镜对外部激光光源的依赖，很大程度上降低系统的复杂度和成本。

Description

基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统
技术领域
本发明涉及近场扫描显微成像技术领域，具体地，涉及一种基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统。
背景技术
近年来，微纳米加工技术对近场热辐射的研究与应用产生了重要的影响。物体表面因自发热辐射产生的近场倏逝波虽然无法传播到远场，但其能量密度却远高于远场。理论和实验研究表明，物体间的近场热辐射可以超过黑体辐射5～6个量级。因此，近场热辐射在实际应用中得到广泛关注，具有广阔的应用前景。
公开号为CN109799368A的发明专利，公开了一种双探针原子力显微镜，所述双探针原子力显微镜包括两组力学检测组件、两组光热激励组件、两组探针组件和光学组件，力学检测组件包括发射检测用激光的力学检测激光器，光热激励组件包括发射光热用激光的光热激光器，探针组件包括微悬臂和固定于微悬臂上的探针针尖，光学组件能够使检测用激光聚焦于微悬臂的前端，并使光热用激光聚焦于微悬臂的后端。本发明采用两组探针组件，检测灵敏度高；采用光热激励组件控制微悬臂的振动频率，避免了机械杂峰的出现，两组力学检测组件和两组光热激励组件均共用一组光学组件，结构紧凑。
目前技术相对成熟的散射型/孔径型近场扫描显微镜虽然可以表征样品的近场辐射特性、近场模态、显微结构，但是依赖于外部激光光源，不同的波段需要不同的激光器，大大增加了整个系统的复杂性和成本。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统。
根据本发明提供的一种基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，具体包括：加热样品台、原子力显微镜、探测器、计算机以及多根探针，所述原子力显微镜设置在加热样品台上，且原子力显微镜上靠近加热样品台一侧设置有探针，多根所述探针与加热样品台之间存在间隔，所述探测器设置在原子力显微镜上，且探测器与计算机之间信号连接。
优选的，所述加热样品台采用电阻式加热，通过控制电流改变加热温度。
优选的，所述加热样品台将样品温度加热至400K以上。
优选的，所述探测器采用碲镉汞探测器，用于探测来自被探针散射的样品表面的近场热辐射。
优选的，所述探测器的波长探测范围要求满足6～12um。
优选的，所述探针采用金探针。
优选的，所述探针尖端直径为10nm～30nm。
优选的，多根相邻所述探针之间的间距保持在近场倏逝波作用范围内。
优选的，多根相邻所述探针之间的间距保持在0.04um～0.16um。
优选的，所述探测器收集探针散射的信号，所述计算机则用于处理相关信号及图像。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明无需配置外部激光光源，通过利用双探针的多体相互作用增强探测信号，可实现对不同温度下样品表面近场热辐射能流态密度的分光谱测量，以及样品微观结构的高分辨率成像，有效解决了现有近场扫描显微镜对外部激光光源的依赖，很大程度上降低了系统整体的复杂度和成本；
2、本发明利用双探针作为样品表面近场倏逝波的散射源，可以克服衍射极限问题的同时，利用探针间的多体相互作用可以有效增强测量信号。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于双探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜的系统示意图；
图2为近场热辐射扫描显微镜的工作原理图；
图3为传统散射型近场扫描显微镜的工作原理图；
图4为不同探针数的近场热辐射扫描显微镜测量碳化硅(SiC)样品得到的理论信号值；
图5为双探针近场热辐射扫描显微镜在探针间距不同时测量碳化硅(SiC)样品得到的理论信号值。
附图标记：1、加热样品台；2、原子力显微镜；3、探针；4、探测器；5、计算机；6、样品；7、外部激光光源；8、样品自发热辐射的近场倏逝波；9、外部激光光源激发近场倏逝波。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，基于原子力显微镜2以精确控制探针3与样品6的间距，采用双探针3作为样品6表面近场热辐射的散射源，采用具有加热功能的加热样品台1及碲镉汞探测器4，无需配置外部激光光源7。下面结合附图对本发明做进一步说明。
无光源式近场热辐射扫描显微镜具体包括：加热样品台1、原子力显微镜2、多根探针3、探测器4以及计算机5，原子力显微镜2设置在加热样品台1上，且原子力显微镜2上靠近加热样品台1一侧设置有探针3，多根探针3与加热样品台1之间存在间隔，探测器4设置在原子力显微镜2上，且探测器4与计算机5之间信号连接。
其中，加热样品台1采用电阻式加热，通过控制电流改变加热温度，加热样品台1将样品6温度加热至400K以上。
探测器4采用碲镉汞探测器4，用于探测来自被探针3散射的样品6表面的近场热辐射，探测器4的波长探测范围要求满足6～12um。
探针3采用金探针3(Au)，探针3尖端直径为10nm～30nm，本实施例中尖端直径为20nm，多根相邻探针3之间的间距保持在近场倏逝波作用范围内，即保持在0.04um～0.16um范围内。探测器4收集探针3散射的信号，计算机5则用于处理相关信号及图像。
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
参照图1和图2所示，包括加热样品台1、原子力显微镜2、多根探针3、探测器4以及计算机5，原子力显微镜2设置在加热样品台1上，原子力显微镜2上的探针3，本实施例中的探针3尖端直径为20nm，制备材料为金(Au)，本实施例中探针3数量为两根，探针3之间的间距保持在近场倏逝波作用范围内，以确保探针3间的多体相互作用可以有效增强测量信号。
加热样品台1具有加热功能，加热方式采用电阻式加热，可以通过控制电流有效改变加热温度，保证样品6温度能达到400K以上，加热样品6可以有效增强测量信号；探测器4采用碲镉汞探测器4，用于探测来自被双探针3散射的样品6表面的近场热辐射，探测器4的波长探测范围要求满足6～12um；其中，计算机5用于信号及图像处理。
参照图2和图3所示，本发明以样品自发热辐射的近场倏逝波8作为光源，无需配置外部激光光源7，通过探针3将无法传播的近场倏逝波转换成可传播的信号。而传统散射型近场扫描显微镜依赖于外部激光光源激发近场倏逝波9，对于不同材料的样品6，需要不同波段的激光，图2和图3中探针3附近的虚线波场表示近场倏逝波被探针3散射传播。
参照图4所示，近场热辐射扫描显微镜分别配置单探针3和双探针3去测量碳化硅(SiC)样品6得到的理论信号值。本实施例中单探针3和双探针3距离样品6表面均为0.04um，双探针3间距保持在0.1um。根据数据对比可以得出，双探针3可以有效提高探测器4的探测信号。
参照图5所示，双探针3近场热辐射扫描显微镜在探针3间距不同时测量碳化硅(SiC)样品6得到的理论信号值。探针3间距分别保持在0.04，0.08，0.10，0.20um。根据数据对比可以得出：当探针3间距保持在0.10um左右时，可以最大程度提高探测器4的探测信号。
本发明实施例提供了一种基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，无需配置外部激光光源7，通过利用双探针3的多体相互作用增强探测信号，可实现对不同温度下样品表面近场热辐射能流态密度的分光谱测量，以及样品微观结构的高分辨率成像，有效解决了现有近场扫描显微镜对外部激光光源7的依赖，很大程度上降低了系统整体的复杂度和成本；利用双探针3作为样品表面近场倏逝波的散射源，可以克服衍射极限问题的同时，利用探针3间的多体相互作用可以有效增强测量信号。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，其特征在于，包括：加热样品台(1)、原子力显微镜(2)、探测器(4)、计算机(5)以及多根探针(3)，所述原子力显微镜(2)设置在加热样品台(1)上，且原子力显微镜(2)上靠近加热样品台(1)一侧设置有探针(3)，多根所述探针(3)与加热样品台(1)之间存在间隔，所述探测器(4)设置在原子力显微镜(2)上，且探测器(4)与计算机(5)之间信号连接；
所述探测器(4)采用碲镉汞探测器(4)，用于探测来自被探针(3)散射的样品(6)表面的近场热辐射；
所述探测器(4)的波长探测范围要求满足6～12um；
多根相邻所述探针(3)之间的间距保持在0.04um～0.16um。
2.根据权利要求1所述的基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，其特征在于，所述加热样品台(1)采用电阻式加热，通过控制电流改变加热温度。
3.根据权利要求2所述的基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，其特征在于，所述加热样品台(1)将样品(6)温度加热至400K以上。
4.根据权利要求1所述的基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，其特征在于，所述探针(3)采用金探针(3)。
5.根据权利要求1所述的基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，其特征在于，所述探针(3)尖端直径为10nm～30nm。
6.根据权利要求1所述的基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，其特征在于，多根相邻所述探针(3)之间的间距保持在近场倏逝波作用范围内。
7.根据权利要求1所述的基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜系统，其特征在于，所述探测器(4)收集探针(3)散射的信号，所述计算机(5)则用于处理相关信号及图像。
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