CN209542653U - 与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，包括：待测样品、光学成像组件、一体化支架、扫描隧道显微镜的腔外透镜组和光学探测器；金属电致激发待测样品表面产生表面等离激元，光学成像组件收集表面等离激元传播过程中形成的漏辐射的大角度光信号并将其转换为平行光信号输出，扫描隧道显微镜的腔外透镜组接收平行光信号进行汇聚和/或成像后输出，光学探测器对接收到的光信号进行光谱测量和/或后焦面成像。本实用新型利于在低温超高真空环境中实现了对样品发光的后焦面特征的成像及其相关光谱的测量。

Description

与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置

技术领域

本实用新型涉及光学探测技术领域，尤其涉及一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置。

背景技术

根据阿贝成像原理，透镜傅立叶平面(后焦面)上的空间频率信息可以表征光源的辐射方向，通过对透镜的后焦面进行成像进而获取光源辐射的空间角向分布特征。在扫描隧道显微镜(STM)中，对于放置在金属界面上的分子和量子点等纳米结构而言，其发光一般会借助表面等离激元向外传播，因此测量相关表面等离激元的辐射分布特征就可以反映出分子和量子点等纳米结构的特性。表面等离激元在金属-真空界面传播过程中，其部分能量会以漏辐射的方式从衬底的下表面向外辐射。而漏辐射的发射角度一般大于衬底-真空界面的全反射角，因此，需要数值孔径大于1的显微物镜才能够收集并观察到漏辐射的大角度信号。目前，在室温大气STM 与光学检测相结合的系统中，通常使用商用的数值孔径较大的油浸物镜，来满足衬底(载波片等)与物镜之间的折射率匹配条件，进而实现对辐射角度大于临界角的漏辐射信号的探测。

而在单分子和单量子点的光电特性的研究中，为了对单个纳米结构进行高分辨高灵敏的表征，需要尽量降低外界环境对实验体系和测量过程的影响。超高真空(～1.0×10^-10 Torr)环境，能够保证样品的清洁还能避免外界环境对样品本身和检测过程的影响；低温(～7K)系统则能保证测量对象在衬底上的稳定性。因此，低温超高真空的STM与光学检测相结合的系统更适合单分子和单量子点等体系的光电研究。

但是，与室温大气环境中的STM与光学检测相结合的系统不同，想在低温超高真空STM与光学检测相结合的系统中实现对样品发光的后焦面的成像探测进而获得其空间角向分布特征存在以下困难：其一，没有商用的解决方案，一方面商用的油浸物镜由于体积较大，无法安装在扫描隧道显微镜扫描台上狭小的空间内；另一方面油浸物镜会破坏真空系统。因此在低温超高真空环境下无法像室温大气环境下那样使用商用油浸物镜来实现大角度光信号的探测。其二，目前STM系统中采用的样品都是立方体结构。样品上表面的表面等离激元的漏辐射信号在往下的传播过程中会接触到样品衬底下表面，由于其辐射角度对应的数值孔径值大于1，所以会在样品下表面-真空界面处时会发生全反射，导致无法在样品的背面收集到相应的光信号。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供了一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供了一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，包括：光学成像组件，设置在扫描隧道显微镜真空腔内，金属探针电致激发扫描隧道显微镜真空腔内的待测样品表面产生表面等离激元；所述光学成像组件包括：半球形透镜，将表面等离激元传播过程中形成的漏辐射的大角度光信号沿原方向射出；所述半球形透镜平面端与所述金属探针相对；非球面透镜，将经过所述半球形透镜射出的光信号转换为平行光信号从所述扫描隧道显微镜真空腔输出；所述半球形透镜和所述非球面透镜沿光路方向平行且共轴设置；一体化支架，用于集成所述待测样品和所述光学成像组件，包括：底座、半球形透镜安装架组和非球面透镜安装架；扫描隧道显微镜的腔外透镜组，用于将扫描隧道显微镜真空腔输出的平行光信号进行汇聚和/或成像；光学探测器，用于接收经过所述扫描隧道显微镜的腔外透镜组汇聚的光信号，并对接收到的光信号进行光谱测量和/或后焦面成像。

在本实用新型的一些实施例中，所述底座，包括：第一容置槽和第二容置槽，且所述第一容置槽和所述第二容置槽相贯；所述第一容置槽靠近所述金属探针，用于容置安装所述半球形透镜；所述第二容置槽用于容置安装所述非球面透镜。

在本实用新型的一些实施例中，所述半球形透镜安装架组包括：半球形透镜固定座，固定连接于所述底座中，所述半球形透镜固定座中心设有安装孔，用于容置固定所述半球形透镜；半球形透镜固定压片，固定连接于所述底座中，与所述半球形透镜固定座相连；所述半球形透镜固定压片中心设有安装孔，用于卡固所述半球形透镜。

在本实用新型的一些实施例中，所述非球面透镜安装架与所述底座螺纹连接，用于调整所述非球面透镜与所述半球形透镜间距离；所述非球面透镜安装架中心设有安装孔，用于非球面透镜的安装。

在本实用新型的一些实施例中，所述待测样品蒸镀在所述半球形透镜平面端，形成金属纳米薄膜。

在本实用新型的一些实施例中，所述非球面透镜安装架上设置有凹槽，便于所述非球面透镜安装架的安装于调节。

在本实用新型的一些实施例中，所述非球面透镜安装架设有限位孔，所述限位孔孔径小于所述安装孔孔径，且所述安装孔与所述限位孔相贯。

在本实用新型的一些实施例中，所述半球形透镜固定座的厚度小于所述半球形透镜的半径；所述半球形透镜固定压片的厚度小于所述半球形透镜的半径；所述半球形透镜固定压片的安装孔的直径小于所述半球形透镜的直径。

在本实用新型的一些实施例中，所述金属纳米薄膜的厚度通过控制热蒸发时间控制。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)光学成像组件中半球形衬底结构，避免了光信号经过衬底-真空界面时的全反射，又有效地增大了光学系统的数值孔径，光学成像组件中非球面透镜可以收集到发射角度大于全反射临界角的光信号，光学成像组件的布置利于在低温超高真空环境中实现了对样品发光的后焦面特征的成像及其相关光谱的测量。

(2)一体化支架，集样品和光学成像元件于一体，能够有效减小装置尺寸。

(3)半球形透镜上蒸镀的金属纳米薄膜，通过控制蒸发时间控制金属薄膜的厚度，不仅能够保证半球形透镜在可见光波段的透过率，还能够满足扫描隧道显微镜对衬底导电性的要求。

(4)非球面透镜安装架与底座通过螺纹连接，能够有效精确控制光学成像组件间的准直与间距，便于实现聚焦。

(5)半球形透镜固定压片与半球形透镜固定座相配合的结构，能够防止半球形透镜的脱落，有利于半球形透镜的定位。

(6)非球面透镜安装架上设置的凹槽，便于所述非球面透镜安装架的安装于调节。

(7)非球面透镜安装架设有的限位孔，利于辅助非球面透镜的定位。

附图说明

图1为本实用新型实施例与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置的结构示意图。

图2a、图2b为图1中半球形透镜固定座的结构示意图。

图3a、图3b为图1中半球形透镜固定压片的结构示意图。

图4a、图4b为图1中非球面透镜安装架的结构示意图。

图5a、图5b、图5c为图1中底座的结构示意图。

图6为本实用新型一具体实施例中样品后焦面成像的光路示意图。

图7为本实用新型一具体实施例中后焦面成像图案。

图8为本实用新型另一具体实施例中样品背面光子收集系统的光路示意图。

图9为本实用新型另一具体实施例中样品背面收集到的样品发光光谱。

【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】

100-探针；

210-半球形透镜；

220-非球面透镜；

300-扫描隧道显微镜的腔外透镜组；

400-光学探测器；

500-一体化支架；

510-底座；

511-定位孔；

512-第一容置槽；

513-第二容置槽；

520-半球形透镜固定压片；

521-安装孔；

522-定位孔；

530-半球形透镜固定座；

531-安装孔；

532-定位孔；

540-非球面透镜安装架；

541-安装孔；

542-限位孔；

543-凹槽。

具体实施方式

本实用新型提供了一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，包括：待测样品、光学成像组件、一体化支架、扫描隧道显微镜的腔外透镜组和光学探测器；金属电致激发待测样品表面产生表面等离激元，光学成像组件收集表面等离激元传播过程中形成的漏辐射的大角度光信号并将其转换为平行光信号输出，扫描隧道显微镜的腔外透镜组接收平行光信号进行汇聚和/或成像后输出，光学探测器对接收到的光信号进行光谱测量和/或后焦面成像。本实用新型利于在低温超高真空环境中实现了对样品发光的后焦面特征的成像及其相关光谱的测量。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本实用新型的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本实用新型满足适用的法律要求。

在本实用新型的第一个示例性实施例中，提供了一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置。图1为本实用新型实施例与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置的结构示意图。图2a、图2b为图1中半球形透镜固定座的结构示意图。图3a、图3b为图1中半球形透镜固定压片的结构示意图。图4a、图4b为图1中非球面透镜安装架的结构示意图。图5a、图5b、图5c为图1中底座的结构示意图。如图 1所示，本实用新型与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，包括：待测样品、光学成像组件、一体化支架500、扫描隧道显微镜的腔外透镜组300和光学探测器400；金属探针100电致激发待测样品表面产生表面等离激元，光学成像组件收集表面等离激元传播过程中产生的漏辐射的大角度光信号并将其转换为平行光信号输出，扫描隧道显微镜的腔外透镜组300接收平行光信号进行汇聚和/或成像后输出，光学探测器 400对接收到的光信号进行光谱测量和/或后焦面成像。

以下分别对本实施例与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置的各个组成部分进行详细描述。

光学成像组件，设置在扫描隧道显微镜真空腔内，所述光学成像组件包括：半球形透镜210和非球面透镜220。其中，半球形透镜210和非球面透镜220沿光路方向平行且共轴设置。下面分别详述两种透镜：

半球形透镜210，将等离激元传播过程中漏辐射的大角度光信号沿原方向射出。安装时，半球形透镜210平面端与所述金属探针100相对。

非球面透镜220，将经过所述半球形透镜210射出的光信号转换为平行光信号输出所述扫描隧道显微镜真空腔。

待测样品，设置在扫描隧道显微镜真空腔内，金属探针100电致激发待测样品表面产生表面等离激元。待测样品蒸镀在所述半球形透镜210平面端，形成金属纳米薄膜。金属纳米薄膜的厚度通过控制热蒸发时间控制。

一体化支架500，用于集成所述待测样品和所述光学成像组件，包括：底座510、半球形透镜安装架组和非球面透镜安装架540。下面分别详述各个组件：

半球形透镜安装架组，包括：半球形透镜固定座530和半球形透镜固定压片520。其中：

半球形透镜固定座530，如图2a、图2b所示，结合图5a、图5b、图 5c所示，固定连接于底座510的第一容置槽512中。具体的，半球形透镜固定座530可以为金属圆片结构，其中心设有安装孔531，用于容置固定半球形透镜210；其边缘均分分布有定位孔532，用于与半球形透镜固定压片520连接。进一步，半球形透镜固定座530的厚度小于所述半球形透镜210的半径。

半球形透镜固定压片520，如图3a、图3b所示，结合图5a、图5b、图5c所示，固定连接于底座510的第一容置槽512中。具体的，半球形透镜固定压片520可以为金属圆片结构，其中心设有安装孔521，用于卡固所述半球形透镜210；其边缘均分分布有定位孔522，用于与半球形透镜固定压片520连接。进一步，所述半球形透镜固定压片520的厚度与半球形透镜固定座530厚度相同。此外，所述半球形透镜固定压片520的安装孔521的直径略小于所述半球形透镜的直径，以保证安装好的半球形透镜不会脱落。

如图4a、图4b所示，结合图5a、图5b、图5c，非球面透镜安装架 540与底座510的第二容置槽513螺纹连接，用于精确调整非球面透镜220 与半球形透镜210间距离。非球面透镜安装架540中心设有安装孔541，用于非球面透镜220的安装。可以选择的，在非球面透镜安装架540上设置有凹槽543，便于非球面透镜安装架540在使用中的安装于调节。可选择的，在非球面透镜安装架540设有限位孔542，即限位孔542的孔径小于非球面透镜220的安装孔541孔径，实现对非球面透镜220的限位效果。本领域的技术人员应当明白，为实现对非球面透镜的限位效果，并不局限于限位孔一种实施例，只要能够实现同等效果的限位方式均可适用。

底座510，如图5a、图5b、图5c所示，包括：相贯的第一容置槽512 和第二容置槽513。第一容置槽512靠近所述金属探针100，用于容置安装半球形透镜210，通过定位孔511定位连接；第二容置槽513用于容置安装非球面透镜220，通过定位孔511定位连接。

扫描隧道显微镜的腔外透镜组300，用于将从扫描隧道显微镜真空腔输出的平行光信号进行汇聚和/或成像；

光学探测器400，用于接收经过所述扫描隧道显微镜的腔外透镜组300 汇聚的光信号，并对接收到的光信号进行光谱测量和/或后焦面成像。

在一个具体实施例中，在扫描隧道显微镜真空腔内利用隧穿电子激发银膜表面产生等离激元的后焦面成像特征的探测。

图6为本实用新型一具体实施例中样品后焦面成像的光路示意图。如图6所示，金属探针100电致激发待测样品表面产生表面等离激元经光学成像组件将扩散的光信号光路转换成平行的光信号。透过扫描隧道显微镜真空腔的石英视窗进入扫描隧道显微镜真空腔外的收集光路。在扫描隧道显微镜真空腔外的收集光路中，在扫描隧道显微镜的腔外透镜组300中加入伯特兰透镜将非球面透镜的后焦面上待测样品发出的光信号的空间角向分布特征，在光学探测器400上成像，从而实现对待测样品发出的光信号的后焦面成像和探测。

具体在本实施例中，待测样品为厚度40纳米的银膜，其是通过热蒸发的方式蒸镀于半球形透镜平面一侧的表面。在扫描隧道显微镜真空腔内的通过金属探针100激发银膜的表面产生表面等离激元，光学探测器400 收集到表面等离激元漏辐射的后焦面成像图案如图7所示。图7为本实用新型一具体实施例中后焦面成像图案。图中亮环为表面等离激元漏辐射的后焦面成像特征，反映出了表面等离激元向各个方向的辐射都近似均匀的特征。

在另一个具体实施例中，在扫描隧道显微镜真空腔内利用隧穿电子激发银膜样品的表面产生表面等离激元光信号光谱的待测样品背面光谱探测。

图8为本实用新型另一具体实施例中样品背面光子收集系统的光路示意图。如图8所示，结合光学成像组件与扫描隧道显微镜的腔外透镜组300，可以组成样品背面光子收集系统。从待测样品发出的光信号经光学成像组件转换成平行光信号，透过扫描隧道显微镜真空腔的石英视窗进入扫描隧道显微镜真空腔外的收集光路。

真空腔外部的扫描隧道显微镜的腔外透镜组300的聚焦透镜将平行光聚焦在光纤接口处并引入光谱仪中，从而实现对待测样品背面光子的收集与光谱的探测。

具体在本实施例中，使用的待测样品与前述待测样品一致。图9为本实用新型另一具体实施例中样品背面收集到的样品发光光谱。光谱如图9 所示，光谱测量的实现为开展针对于纳米结构特征发光峰的空间角向分布特征的成像表征提供了基础。

至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置有了清楚的认识。

综上所述，本实用新型提供一种可在低温超高真空环境中实现了对样品发光的后焦面特征的成像及其相关光谱的测量的扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本实用新型的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种与低温超高真空扫描隧道显微镜相结合的后焦面成像装置，其特征在于，包括：

光学成像组件，设置在扫描隧道显微镜真空腔内，金属探针电致激发扫描隧道显微镜真空腔内的待测样品表面产生表面等离激元；所述光学成像组件包括：

半球形透镜，将表面等离激元传播过程中形成的漏辐射的大角度光信号沿原方向射出；所述半球形透镜平面端与所述金属探针相对；

非球面透镜，将经过所述半球形透镜射出的光信号转换为平行光信号从所述扫描隧道显微镜真空腔输出；

所述半球形透镜和所述非球面透镜沿光路方向平行且共轴设置；

一体化支架，用于集成所述待测样品和所述光学成像组件，包括：底座、半球形透镜安装架组和非球面透镜安装架；

扫描隧道显微镜的腔外透镜组，用于将扫描隧道显微镜真空腔输出的平行光信号进行汇聚和/或成像；

光学探测器，用于接收经过所述扫描隧道显微镜的腔外透镜组汇聚的光信号，并对接收到的光信号进行光谱测量和/或后焦面成像。

2.根据权利要求1所述的后焦面成像装置，其特征在于，所述底座，包括：

第一容置槽和第二容置槽，且所述第一容置槽和所述第二容置槽相贯；

所述第一容置槽靠近所述金属探针，用于容置安装所述半球形透镜；

所述第二容置槽用于容置安装所述非球面透镜。

3.根据权利要求1所述的后焦面成像装置，其特征在于，所述半球形透镜安装架组包括：

半球形透镜固定座，固定连接于所述底座中，所述半球形透镜固定座中心设有安装孔，用于容置固定所述半球形透镜；

半球形透镜固定压片，固定连接于所述底座中，与所述半球形透镜固定座相连；所述半球形透镜固定压片中心设有安装孔，用于卡固所述半球形透镜。

4.根据权利要求1所述的后焦面成像装置，其特征在于，所述非球面透镜安装架与所述底座螺纹连接，用于调整所述非球面透镜与所述半球形透镜间距离；所述非球面透镜安装架中心设有安装孔，用于非球面透镜的安装。

5.根据权利要求1所述的后焦面成像装置，其特征在于，所述待测样品蒸镀在所述半球形透镜平面端，形成金属纳米薄膜。

6.根据权利要求4所述的后焦面成像装置，其特征在于，所述非球面透镜安装架上设置有凹槽，便于所述非球面透镜安装架的安装于调节。

7.根据权利要求4所述的后焦面成像装置，其特征在于，所述非球面透镜安装架设有限位孔，所述限位孔孔径小于所述安装孔孔径，且所述安装孔与所述限位孔相贯。

8.根据权利要求3所述的后焦面成像装置，其特征在于，所述半球形透镜固定座的厚度小于所述半球形透镜的半径；所述半球形透镜固定压片的厚度小于所述半球形透镜的半径；所述半球形透镜固定压片的安装孔的直径小于所述半球形透镜的直径。

9.根据权利要求5所述的后焦面成像装置，其特征在于，所述金属纳米薄膜的厚度通过控制热蒸发时间控制。