利用零差檢測從近場紅外散射獲得吸收光譜的方法
【專利說明】
[0001] 相關美國專利申請的交叉引用
[0002] 本專利申請設及于2012年11月27日提交的第61/730, 201號美國臨時專利申請 和于2013年3月15日提交的第USSN13/835, 181號美國實用專利申請，該兩個美國申請 均"METHODTOOBTAINABSORPTIONS陽CTRAFROMNEAR-FIELDINFRAREDSCATT邸ING USINGHOMODYNEDETECTION(利用零差檢測從近場紅外散射獲得吸收光譜的方法）"為題 目，均用英語提交，均通過引用整體并入本文。
技術領域
[0003] 本發明設及用于利用零差檢測從近場紅外散射獲得吸收光譜的方法。
【背景技術】
[0004] 無孔近場掃描光學顯微鏡（ANS0M)提供超過光的衍射極限的空間分辨率。然而， 對于一些光譜學的應用，存在ANS0M要解決的關鍵問題，即；直接可檢測的近場散射信號具 有色散線型而非吸收線型。吸收線型通常是從紅外（IR)吸收光譜獲得的、光譜上的峰值的 集合。對于化學鑒定，已經創建了具有化合物的吸收線型特性的遠場光譜庫。結果，ANS0M 由于其色散線型而不能作為用于紅外納米光譜的傳統工具，而且不能利用現有的、表征材 料宏觀樣品的光譜庫實現納米級化學鑒別。
[0005] 對于在ANS0M的實現中獲得期望的吸收線型，目前存在多種方式。最新的一種技 術稱為偽外差檢測，其依賴于對于參考相位調制和ANS0M尖端振蕩的組合參考頻率的鎖定 檢測（見Ocelic，N. ,A.Huber和R.Hillenbrand發表在第 2006. 89 (10)期AppliedPhysics Letters(應用物理快報）上的"Pseudoheterodynedetectionforbackground-free near-fieldspectroscopy(用于空白背景的近場光譜的偽外差檢測）")。雖然其獲得了近 場散射光的相位，但是存在與偽外差技術相關的兩個缺點。第一個缺點是由于鎖定檢測中 對弱邊帶而非主帶的檢測導致減小的信號級。第二個潛在的缺點是其測量近場散射光的相 位而非近場的虛部。在近場散射的實部強的情況下，近場散射信號的虛部和相位的等價呈 現好的近似，但是該近似不總是正確。
[0006] 獲得吸收線型的第二種技術使用相干寬帶光源形成不對稱傅里葉變換紅外光 譜。該已經在兩篇文章中描述，見化th,F.等人發表在第2012. 12(8)期NanoLetters(納 米快報）第 3973-3978 頁上的"Nano-FTIRAbso;rptionSpechoscopyofMolecular Finge;rp;rintsat20nmSpatialResolution(在20納米空間分辨率時分子指紋的納 米-傅里葉變換紅外吸收光譜）";W及Xu,X.G.等人發表在第2012. 3(13)期化eJournal of化ysicalQiemistryLetters(物理化學報雜志）第 1836-1841 頁上的叩ushingthe Sample-SizeLimitofInfraredVibrationalNanospectroscopy:FromMonolayer towardSingleMoleculeSensitivity(推動樣品尺寸限制的紅外振動納米光譜；從單層 朝著單分子靈敏度）"。雖然其提供了多重技術性能，但是該種類型的技術需要昂貴的（在 2012是大約30化美元）相干寬帶光源，連帶需要本質上導致低信號質量的低激光能量，該 限制了其實際應用。
【發明內容】
[0007] 本公開提供通過ANSOM獲得分子共振的吸收線型的過程。方法的實施方式包括 相對于近場場將參考場相位最優選地設置為4 = 0. 5 31 (或-0. 5 31 )，W及設置參考振幅A> 5IaI。得到對相位精度的要求是<0. 3 31。該方法能夠使ANSOM在納米級對象上執 行振動光譜。
[000引本文公開的實施方式是用于測量納米級對象的吸收光譜的設備，該設備包括：
[0009] a)掃描原子力顯微鏡，連接到所述樣品掃描原子力顯微鏡的鎖定放大器，連接到 所述鎖定放大器的計算機控制器，連接到所述鎖定放大器、用于檢測電磁福射的檢測器，發 射相干光束的相干光源；
[0010] b)干設儀，與所述原子力顯微鏡、所述相干光源和所述檢測器集成，所述干設儀具 有參考臂和樣品臂，所述干設儀定位為用于將來自所述相干光源的、沿著樣品臂的光引導 到安裝在所述掃描原子力顯微鏡的掃描臺上的樣品，W及用于將從所述樣品和所述原子力 顯微鏡的掃描探針尖端散射的光束引導到所述檢測器，所述干設儀還定位為用于將來自所 述相干光源的、沿著參考臂的光束引導到位置可調反射器，W及用于將從所述可調反射器 反射W與所述散射光束再次組合的光束引導到所述檢測器；
[0011] C)控制電路，用于調節并維持所述可調反射器的位置，W提供所述樣品臂和所 述參考臂中的所述光束之間的相對光學相位差位于從大約0.4 31至大約0.6 31的范圍或 從-0. 4 31至大約-0. 6 31的范圍內；
[0012] d)其中所述鎖定放大器配置為從所述原子力顯微鏡接收參考頻率W及從所述檢 測器接收輸出電壓信號，W及基于所述參考頻率和所述輸出信號將所述輸出電壓信號解調 成諧波分量，W及將所述二階和更高階諧波分量傳遞到編有指令的所述計算機控制器，W 形成所述納米級對象的無孔近場光學掃描顯微鏡圖像。
[0013] 本文還公開了測量納米級對象的吸收光譜的方法，該方法包括：
[0014] a)在掃描原子力顯微鏡的掃描探針尖端下方光柵化納米級對象；
[0015] b)通過頻率可調相干光源沿著干設儀的樣品臂照射所述納米級對象和所述掃描 換針尖端；
[0016] C)將來自所述納米級對象和所述掃描探針尖端的、沿著所述樣品臂的散射的相干 光束與來自所述頻率可調光源的、從干設儀的參考臂上的反射器反射的光束組合，并將組 合的相干光束引導到檢測器；
[0017] d)解調來自所述檢測器的輸出信號W提供二階或更高階諧波解調信號，W及使 用所述二階或更高階諧波解調信號調節所述可調反射器的位置W提供所述樣品臂和所述 參考臂中的所述光束之間的光學相位差位于從大約0.4JI至大約0.6JT的范圍或從大 約-0.4 31至大約-0.6 31的范圍內，W及使用反饋維持所述位置W維持光程差；W及
[001引e)通過掃描探針顯微鏡和從尖銳掃描探針尖端的光散射與在干設儀中設置特定 零差相位的所述過程的組合，獲得具有與所述樣品的紅外吸收系數的虛部成比例的信號強 度的圖像。
[0019] 通過參照下面的詳細描述和附圖，可實現對本發明的功能和優點方面的進一步的 理解。
【附圖說明】
[0020] 通過參照附圖，現在將僅W示例的方式描述本發明的優選實施方式，在附圖中：
[0021] 圖1示出了根據本發明的改進的無孔近場掃描光學顯微鏡（ANSOM)的示意。
[0022] 圖2示出了尖端樣品的像偶極子模型。
[0023] 圖3示出了兩種條件下尖端樣品極化率的數值模擬，第一種條件是尖端與樣品接 觸（粗曲線），W及在第二種條件下尖端與表面分隔開一個半徑（細曲線）。作為參考示出 了樣品的消光系數（吸收線型）（虛線）。
[0024]圖4(a)示出了作為尖端振蕩周期的函數的、可檢測的光學信號波形。
[0025] 圖4(b)示出了圖4(a)的、W尖端振蕩頻率給出多個諧波的波形的對應傅里葉分 析。
[0026] 圖5(a)至5(e)示出了在從第0至31的不同參考相位值的情況下的二階諧波鎖 定讀出線型，在每個線型的右上角示出了相位值。
[0027] 圖6 (a)示出了參考振幅對鎖定讀出的影響。
[002引圖6(b)示出了相位噪聲對鎖定讀出的影響。
[0029] 圖7 (a)示出了在ANSOM掃描期間通過輕敲模式AFM獲得的氮化棚納米管炬NNT) 的形貌。
[0030] 圖7(b)示出了在調節中IR光源不開啟共振的31/2零差條件下對于該樣品（氮 化棚納米管（1353cm-i))收集的ANSOM圖像。
[003U圖7(c)示出了在調節激光源開啟共振時對于BNNT管（1371cm-i)的ANSOM圖像。[003引圖7 (d)示出了