用散射型扫描近场光学显微镜实现垂直相互作用信号重建

散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）能够对多种材料和纳米结构的表面进行超分辨率光谱成像。虽然散射型近场光学显微镜具有较高的横向空间分辨率，但对于垂直于样品表面的近场响应特性的研究较少。

当前的散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）方法在提供垂直相互作用方面面临挑战，这间接源于其较大的远场散射背景，即在不存在尖端-样品短程相互作用的情况下，来自尖端杆、悬臂的反射或散射，以及样品粗糙度导致的反射或散射。在s-SNOM中，为了去除较大的背景，探针尖端在轻敲模式操作下保持在样品上方进行正弦振荡，并利用锁相放大器在尖端振荡频率的倍数处提取近场信号。然而，接近曲线并未直接描述近场信号的垂直依赖性。它们是通过复杂的信号生成机制获得的，该机制取决于尖端振荡幅度和锁相解调的阶数。因此，接近曲线与尖端和样品之间近场相互作用约束的垂直特性缺乏直接且明确的关系。

本文介绍的文献提出一种精确且快速的重建方法，以获取近场相互作用的垂直特性。并且作者研究了氮化硼纳米管表面声子极化激元的束缚电磁场分量，发现其在20纳米范围内衰减，且近场信号存在显著的相位变化。

图1. a).实验装置和工作原理示意图。右侧插图显示了通过铂涂层探针和金基底的实验测量得到的18次谐波的锁相解调幅度。

b).重建的原始s-SNOM波形。

c).散射式扫描近场光学显微镜相互作用曲线。虚线显示了背景的线性趋势，这是远场贡献的特征。

图1a展示了实验装置和工作原理，作者用其得到了实验测量得到的18次谐波信号，然后通过傅里叶级数（公式1）复现了其信号波形，如图1b所示。公式2描述了探针针尖的位置变化。图1c展示了公式3得到的s-SNOM相互作用曲线，其中虚线部分为拟合的远场贡献。从图中可以看到当针尖与样品的距离在50纳米以内时，观察到信号的非线性增长，即近场信号占主导。当在针尖-样品距离较大时，主要为远场信号。

对于交流远场信号，处于正弦机械振荡中的探针会对入射红外场的纳米级均匀区域产生散射。因此，远场贡献的交流信号是正弦的，且仅出现在一次谐波解调中。因此可以得到以下公式：

如果能通过某种方式得到η的值，则可以完全得到近场信号。作者认为当针尖-样品距离D较大时，近场信号对D的变化不敏感，可用于求解η，即对应于下述公式斜率被最小化：

为了验证结果的准确性，作者将实验所求结果与点偶极子模型（图2a）进行比较。图2b为求得η后得到的进场时域信号。图2c展示了公式5得到的s-SNOM相互作用曲线，其中虚线为点偶极子模型相互作用曲线。图2d为相互作用曲线的二次到五次谐波归一化逼近曲线，从图中可以看出三次谐波归一化与实验获得的三次谐波逼近曲线近乎一致。

图2. a).有效极化率振幅与针尖-样品距离之间关系的点偶极子模型模拟。

b).根据之前数据重建的近场波形。发现一次谐波的贡献为0.262。

c).s-SNOM相互作用曲线。虚线曲线为点偶极子模型的绘制结果。d).从相互作用曲线的二次到五次谐波推导的归一化逼近曲线。插图显示了推导的三次谐波逼近曲线与实验获得的三次谐波逼近曲线之间的比较。

最后作者将得到的相互作用求解公式应用于氮化硼纳米管表面声子极化激元的垂直响应观测，如图3所示。

图3. a).原子力显微镜下氮化硼纳米管的形貌图。

b).1400 cm⁻¹处的散射式近场光学显微镜图像。

c).1420 cm⁻¹处的散射式近场光学显微镜图像。

d).1360 cm⁻¹处的散射式近场光学显微镜图像。

e).1400 cm⁻¹处位置1（红色）和位置2（蓝色）的相互作用曲线。

f).1420 cm⁻¹处位置3（红色）和位置4（蓝色）的相互作用曲线。位置3和位置4在1360 cm⁻¹处的相互作用曲线显示在插图中。

g).在1360、1400和1420 cm⁻¹红外频率下位置5的相互作用曲线。

h).在1350至1435 cm⁻¹红外频率下位置5的相互作用曲线的1/e衰减长度值（黑点)。蓝色曲线作为参考。

对相互作用曲线的测量表明，极化激元材料的近场信号来自两个来源。第一个来源是本征近场散射，其基于样品中电荷、载流子或偶极子的重新分布对尖端极化率的调制。对于氮化硼（BN），在1360 cm⁻¹处，由于表面等离激元极化激元不存在，这种贡献占主导地位。在1350 cm⁻¹至1360 cm⁻¹之间，振幅为1/e时的衰减长度约为40纳米。第二个贡献来自极化激元的局域束缚电磁场分量。尖锐的金属尖端将表面等离激元极化激元的场分量转换为可探测的散射光场。表面等离激元极化激元的束缚场靠近氮化硼的极化激元支持表面，因此当尖端非常接近时，会导致近场散射的额外增强。由于存在短程表面束缚分量，与极化激元不存在的情况相比，氮化硼在表面等离激元极化激元活跃频率下的测量衰减长度缩短。衰减长度随频率减小的趋势（图3f）表明，在更高的红外频率下，表面等离激元极化激元的场分量与氮化硼表面的束缚更强。

总之，本文介绍的文献开发了一种用于在散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）中重建垂直近场相互作用的实验方法，该方法有望用于表征多种纳米光学材料和结构的垂直场分布。

参考文献

Wang, L., Xu, X. Scattering-type scanning near-field optical microscopy with reconstruction of vertical interaction. Nat Commun 6, 8973 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms9973.