散射式扫描近场显微镜亚表面成像能力探究

传统光学显微镜受衍射极限限制，无法实现纳米尺度的空间分辨率。扫描近场光学显微镜（SNOM）的出现打破了这一瓶颈，它利用倏逝波的近场耦合有效突破了衍射极限。近年来，SNOM在表面科学研究领域发展迅速，但其亚表面探测能力仍有待系统性验证。在纳米科学与技术中，大量关键功能结构往往被电磁透明的保护层所覆盖，因此极需一种无损、高空间分辨率且具备化学识别能力的亚表面表征技术。散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的兴起，为解决这一难题提供了全新的技术途径。

2005年，R. Hillenbrand等人首次证实了s-SNOM具备亚表面成像能力。研究表明，当覆盖层为相对光学透明且低干扰的材料（如聚合物或二氧化硅）时，探针产生的近场信号能够穿透该覆盖层，从而实现对深层隐藏结构的有效探测。他们分别在可见光和红外波段开展了实验验证，成功证实了这一物理现象。

1. 可见光（633纳米波长）：实验中，在硅衬底表面加工了金纳米岛结构，并覆盖了一层厚度约为5nm的聚苯乙烯（PS）薄膜。测试结果表明，AFM形貌图（图1a）中，PS薄膜表面呈现为平坦特征，但在s-SNOM光学图像（图1c）中，则清晰地重现了被掩埋的金纳米岛结构。

2. 红外光（10.7微米波长）：当金纳米岛掩埋于50nm厚的PMMA下方时（图2a），实验表明，长波长的红外光不仅能清晰探测到50nm深处的亚表面金岛（图2c），其空间分辨率更达到了120nm以内。这一分辨率对应于工作波长的九十分之一，远超传统红外显微镜的成像极限。

这项开创性工作率先证明了s-SNOM具备无损、纳米级的亚表面表征能力。该技术可穿透保护膜、氧化层及生物膜等介质，实现对深层纳米结构的直接成像，为研究掩埋界面提供了全新的手段。

尽管s-SNOM具备亚表面成像能力，但近场信号随覆盖层厚度的增加而急剧衰减。为此，R. Hillenbrand等人于2012年提出了两种提升亚表面成像信噪比与对比度的方法。他们以硅衬底上覆盖渐变厚度二氧化硅层的100nm厚金圆盘为研究对象（图3），在红外波段展开实验。

第一种方法是减小探针的振动振幅（图4）。实验表明，将振幅从70nm降至20nm，能显著提高亚表面成像的清晰度与空间分辨率。

第二种方法是利用高阶谐波解调。高阶近场信号能提供更强的亚表面对比度，并清晰分辨紧邻的纳米颗粒。在振幅A为70nm时，四阶信号的空间分辨率明显高于三阶（图3b）。图5的理论计算进一步证实了这一现象：图5e和5f分别对比了表面正下方及15nm埋深处，两枚紧邻纳米球的三阶（红实线）和四阶（蓝虚线）近场信号截面轮廓。

近年来，随着s-SNOM在材料分析、生物成像及半导体表征等领域的应用潜力不断释放，学术界与工业界对其亚表面成像能力的需求也日益迫切。上述两篇开创性论文所提出的理论与实验方法，对后续亚表面近场光学研究具有极其重要的指导意义。

参考文献

[1] Taubner T, Keilmann F, Hillenbrand R. Nanoscale-resolved subsurface imaging by scattering-type near-field optical microscopy[J]. 2005.

[2] Krutokhvostov R, Govyadinov A A, Stiegler J M, et al. Enhanced resolution in subsurface near-field optical microscopy[J]. Optics Express, 2012, 20(1): 593.

文字丨于曙超

排版丨向绍莲

来源：微信公众号「见微而知著-觅几科技」；原文链接：查看原文