太赫兹近场成像-从宏观到微观,由现象到本质

发布时间:2024年4月11日 分类:科普资讯 浏览量:259

作者:许星星

太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(THz s-SNOM)将太赫兹技术的应用场景拓展到了微纳尺度,它结合了太赫兹和原子力显微镜的优势,使得太赫兹的成像分辨率达到了与原子力显微镜相当,也就是几十纳米的量级,催生了从科研到应用的一系列重要进展。

近几年来这一技术快速发展,主要应用场景已经涵盖了多个方面:

1. 材料介电特性分布测试

太赫兹远场透反射实验能够得到的信息一样,太赫兹近场系统也可以得到样品的介电特性,但是得到的是非常小范围(几十纳米)里的特性。2019年来自韩国的研究者们利用基于太赫兹时域光谱仪的散射式扫描近场显微镜测试了高密度聚乙烯中的少量乳糖[1],如图1-1所示,中间的乳糖区域宽度仅有2um左右,从图1-1的右边曲线可以看出近场提取出来的乳糖介电常数与常规TDS所测试得到的基本一致。利用这一优势,2021年美国哥伦比亚大学的Basov教授课题组对不同层数过渡金属硫化物WTe2样品进行了太赫兹近场成像[2],如图1-2(上)所示,成像结果表明从单层到三层的WTe2分别表现为弱绝缘、半导体以及金属特性。

由于载流子浓度与介电常数也是相关的,因此太赫兹近场系统还可以用于对离子掺杂浓度的测试,图1-2(下)是对单个晶体管的近场太赫兹(2.54THz)和红外近场成像[3],可以看到太赫兹对载流子的敏感度要高于红外,太赫兹近场成像系统在半导体检测领域具有广阔应用前景。

太赫兹近场成像-从宏观到微观,由现象到本质
太赫兹近场成像-从宏观到微观,由现象到本质

图1-1 HDPE与乳糖混合样品的形貌和近场成像(左),以及乳糖复介电常数的近场/远场/洛伦兹拟合比较

太赫兹近场成像-从宏观到微观,由现象到本质
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图1-2 不同层数WTe2的实验示意图、光学成像以及太赫兹近场成像(上),单个晶体管的TEM成像、红外近场成像、太赫兹近场成像以及白线处的归一化太赫兹信号(下)

2. 材料等离激元测试

当材料在太赫兹频段存在共振模式时,材料表面的载流子分布将受到该模式的影响,并表现出某种规律性。由于太赫兹波长往往在百微米量级,而材料等离激元的寿命又非常有限,因此在太赫兹频段要观察到这一现象往往要求激元的局域因子比较大。2017年西班牙的Rainer课题组利用石墨烯-hBN-金三层结构实现了对石墨烯激元的波长压缩[4],该石墨烯声学激元局域因子在3.11THz达到了150,从而被近场光电流观测得到,六年后该课题组又从二维面内各向异性材料Ag2Te中测得了纯材料的表面等离激元分布[5],如图2-2所示,该样品支持的太赫兹激元局域因子可达20至40,该次观测使用的是基于气体激光器的太赫兹散射式近场成像系统。

太赫兹近场成像-从宏观到微观,由现象到本质
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图2-1 石墨烯声学等离激元的近场光电流测试

太赫兹近场成像-从宏观到微观,由现象到本质

图2-2 二维Ag2Te材料在不同频率下的太赫兹散射式近场成像结果

3. 结构谐振场分布测试

与等离激元材料类似,金属及介质结构也可以支持特定的太赫兹电磁模式,从而在其表面形成一定的场分布,在远场中的宏观体现就是电磁波经过金属或介质结构后它的幅值、相位、极化以及频谱发生特定的改变。利用太赫兹近场系统,可以更为直观的观测金属及介质表面的电磁模式分布。

如图3-1所示是英国利兹大学研究团队在2021年观测到的金属天线以及金属谐振环单元在3.45THz的近场成像[6],直接得到了这两种结构的表面电场分布,且分辨率达35nm。图3-2也是对金属谐振环单元的2.45THz的近场成像[7],但是文章作者发现探针对近场的散射方向并不是恒定不变的,因此导致发生谐振的两个相邻边界在谐振频率处的成像会出现一边强于背景,一边弱于背景的情况。

太赫兹近场成像-从宏观到微观,由现象到本质

图3-1 金属天线和金属谐振环单元在3.45THz的近场成像实验与仿真,左边箭头为入射电场极化方向

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图3-2 a和b分别为谐振环结构在2.45THz下的近场仿真和实验结果,c为结构的原子力形貌图,d为谐振处的竖直方向拉线,从上往下分别对应从a到c,e为多个相邻谐振环的近场成像,比例尺为20um

结语

太赫兹散射式近场成像系统的发展已有十余年,除了上述科研和应用场景,国内外还有近场层析,近场超快等前沿研究正在开展,现如今进入该领域的研究者也是越来越多,未来几年必将有越来越多的重要成果出现,我们也将持续追踪报道。然而,国际上该系统的市场主要由德国Neaspec(已被attocube公司收购)和Bruker公司占据,国内也有几家公司正在抓紧研制。成都觅几科技有限公司成立之初衷便是打破该系统的国际垄断,现已经成功研制1THz以下连续波近场成像系统,以及基于太赫兹时域光谱仪的脉冲近场成像成谱系统,欢迎国内外学者老师前来咨询。

参考文献

[1] Moon K, Do Y, Park H, et al. Computed terahertz near-field mapping of molecular resonances of lactose stereo-isomer impurities with sub-attomole sensitivity[J]. Scientific Reports, 9.

[2] Jing R, Shao Y, Fei Z, et al. Terahertz response of monolayer and few-layer WTe 2 at the nanoscale[J]. Nature Communications, 2021.

[3] A. J. Huber, F. Keilmann, et al. Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices[J]. Nano Lett. 2008, 8, 11, 3766–3770.

[4] Alonso-González, P, Nikitin, A, Gao, Y. et al. Acoustic terahertz graphene plasmons revealed by photocurrent nanoscopy[J]. Nature Nanotech 12, 31–35 (2017).

[5] Chen, S, Leng, P. L, Konečná, A. et al. Real-space observation of ultraconfined in-plane anisotropic acoustic terahertz plasmon polaritons. Nat. Mater. 22, 860–866 (2023).

[6] Sulollari N , Keeley J, Park S J, et al. Coherent terahertz microscopy of modal field distributions in micro-resonators[J]. APL Photonics, 2021, 6(6).

[7] Thomas L, Théo. Hannotte, Santos C N, et al. Imaging of THz Photonic Modes by Scattering Scanning Near-Field Optical Microscopy[J]. ACS applied materials & interfaces, 2022, 14(28):32608-32617.

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