掃描近場光學顯微技術的最新進展及應用方向

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「掃描近場光學顯微技術」 最早由科學研究工作者Edward Hutchinson Synge提出後，受到學術界的廣泛認可。根據觀察到的在一定壓力下電弧發出的通過孔徑僅為100nm的強聚焦平面光，他認為，利用這種小孔徑可以使光在樣品表面進行逐點掃描成像，同時採集被測量物質的光學信息，並大膽預測這一技術的實現將是照明探測研究領域中的巨大突破。在1956年和1972年，John A.O Keefe與Ash and Nicholls進一步完善了該理論，並提出小孔探測原件儘可能接近樣品表面將有助於該技術的實現。1984年，第一台利用可見光輻射進行測量的近場光學顯微鏡由Pohl等製造並使用，該顯微鏡通過探針在樣品表面保持數十納米的距離採集反饋信息，並在兩年後實現了高分辨成像，從而推動了近場光學領域的研究。

然而，傳統近場光學顯微鏡由於瑞利衍射極限（Rayleigh limitation），其解析度不僅受到孔徑尺寸的制約，也受到入射光波長1/2的限制。因此，對於sub-um的納米材料檢測成像時，傳統近場光學顯微鏡只能採用有限波長範圍的可見光，且難以獲得高清信息。而在中紅外領域，近場光學顯微技術對納米結構幾乎沒有用武之地。散射式近場光學顯微鏡利用AFM探針對激光光束聚焦照明，在針尖附近激發一個納米尺度的增強近場信號區域。當針尖接近樣品表面時，由於不同物質的介電性質差異，近場光學信息將被改變。通過背景壓制技術對採集的散射信號進行解析，就能獲取到樣品表面的近場光學譜圖並進行成像。該技術突破了傳統孔徑顯微的限制，其解析度僅由AFM探針針尖的曲率半徑決定。

德國Neaspec公司將散射式近場光學顯微技術專利化，生產出世界上唯一一款散射式掃描近場光學顯微鏡—neaSNOM系統，其最高解析度可達10nm，並通過專利的贗外差數據分析模式，同時解析強度和相位信號，解決了納米材料尤其是在紅外光譜範圍的近場光學成像難題。近幾年，散射式近場光學顯微技術在局域表面等離子激元，無機材料表面波傳導，二維材料聲子極化，近場光電流，半導體載流子濃度，高分子材料鑒別和生物樣品成像等領域研究得到了廣泛的應用，並已然成為了推動光學物理、材料應用發展的重要工具。

利用贗外差技術實現了近場光學顯微鏡對強度和相位的同時成像

中紅外光譜被廣泛應用於化學、生物等學科及材料鑒定和二級結構分析的工作當中，由於衍射極限的存在，限制了對納米尺寸蛋白質結構的研究。2013年，I. Amenabar等人利用Neaspec公司的納米傅立葉紅外光譜技術(nano-FTIR)進行的對蛋白質結構以30nm橫向空間解析度的進行光學成像的結果，以及nano-FTIR對單根蛋白質複合物的敏感度。實驗結果展示了對病毒，鐵蛋白（Ferritn）複合物，紫膜（purple membranes），胰島素聚合物的局部光譜，並通過它們的α-螺旋 和/或者 β-頁狀結構進行解釋。研究者同樣通過nano-FTIR對胰島素纖絲進行了研究。胰島素纖絲是一種廣泛應用於神經組織退化疾病研究的模型系統，實驗結果表明3nm直徑的澱粉樣纖絲含有大量的a-螺旋結構。此結果揭示了在纖絲周圍的蛋白質具有的令人驚訝的高度有序性，這個結果也許可以作為解釋纖絲結合的原因。作者預見nano-FTIR將在如細胞受體的離體成像，和蛋白質四級機構的分析等眾多領域中有著廣泛的應用潛力。

2015年，B. Pollard等充分利用近場光學顯微鏡對相位信息的高度敏感性，對PMMA高分子材料進行了成像。並在此基礎上，進一步結合NanoFTIR中self-homodyne和self-heterodyne 兩種不同模式對紅外分子振動進行了深入研究。證實了在金環境中的分子響應與遠場信號測量值具有高度的可比性。

2016年，A. Y. Nikitin等通過波長10-12μm激發裁剪後的石墨烯納米諧振器，得到了大量共存的Fabry–Perot mode信息。通過理論分析其兩種等離子模式，即sheet plasmon和edge plasmon，發現後者體積僅為激發波長的10-8倍。並通過理解edge plasmon的原理，可以促進一維量子發射器的開發，等離子激元和聲子在中紅外太赫茲探測器的研究，納米圖案化拓撲絕緣體等領域的進一步發展。

A.Y. Nikitin et al., Nature Photon. 10, 239 (2016)

石墨烯由於其獨特性能被廣泛的認可為最具發展潛能的下一代光電設備材料。然而在納米級別性能的變化影響了宏觀行為，高性能石墨烯光電器件的開發受到了極大制約。2016年，Achim Woessner 等結合紅外近場掃描納米顯微鏡和電子讀取技術，實現了紅外激發光電流的成像，並且精度達到了數十納米級別。通過研究邊際和晶界對空間載流子濃度和局域熱電性質的影響，實驗者證明了這一技術對封閉石墨烯器件的應用。

微納加工技術和掃描探針顯微技術的不斷進步，極大地推動了近場光學顯微技術的發展，並逐漸成為科研領域的熱門研究趨勢。將近場光學顯微技術與其他成像技術相結合，必將在物理學領域、近場光材料、半導體材料、納米材料以及生命科學領域有著更為廣闊的應用前景。

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