揭开纳米世界的面纱:基于CO2太赫兹激光器的近场成像技术
发布时间:2024年9月14日 分类:科普资讯 浏览量:303
作者:王冉
随着光子学和纳米技术的飞速发展,人类对微观世界的探索进入了一个崭新的阶段。传统光学显微镜因受限于光的衍射极限,难以在亚波长尺度上实现高分辨率成像。然而,散射式近场光学显微技术(s-SNOM)凭借其超越衍射极限的能力,成为了研究纳米材料光学和化学特性的重要工具。在这一领域,CO2太赫兹激光器因其在中红外波段的卓越表现,已应用在许多近场研究中。本文将结合Rainer Hillenbrand团队和Frank H. L. Koppens团队的几项重要工作,探讨基于CO2太赫兹激光器的近场成像技术,特别是在石墨烯和半导体纳米器件中的应用。
CO2太赫兹激光器是一种广泛应用于中红外波段的激光器,其高能量和稳定性使其成为近场光学显微技术的理想光源,且通过其泵浦可以产生高强度且具有良好单色性的THz辐射,这种辐射可以进一步应用于近场光学。s-SNOM利用纳米尺度的探针局部增强电磁场,在纳米尺度上能够实现超分辨率成像。

图1: 基于CO2激光泵浦的THz s-SNOM装置示意图[1]
1. 光与物质的相互作用——石墨烯等离子体激元
Hillenbrand和Koppens及其团队在这一领域做出了许多开创性的工作,推动了基于CO2太赫兹激光器的s-SNOM在纳米材料研究中的应用。他们利用CO2太赫兹激光器,结合近场扫描光学显微镜,成功实现了对石墨烯中等离子体激元的成像[2]。并通过外加栅压调节石墨烯的费米能级,实现了动态控制等离子体激元。这一发现对于开发基于石墨烯的光子器件具有重要意义,例如可调谐的光学晶体管和纳米级光学处理器件。
除了上面提到的近场纳米成像技术,两个团队合作提出了一种近场光电流纳米成像技术,并通过实验首次观测到石墨烯中低频率(太赫兹频率范围)的等离子体激元[3],这些等离子体激元与石墨烯的声学特性密切相关,因此被称为“声学等离子体激元”,其受石墨烯中电子-声子相互作用影响显著,可通过外部电场和石墨烯的几何结构进行调控,从而实现对其传播行为的精确控制。新型的近场光电流显微技术无疑将为对二维材料中复杂的


光电过程及物理特性的研究提供新的视角,我们期待未来在这一领域的更多突破性进展
图2 锥形石墨烯带的等离子体激元门控 局部模式由白色和红色箭头表示,照明波长。[2]
图3 双栅石墨烯等离子体的THz光电流纳米成像。a. 实验装置示意图。激光照射金属尖端可作为纳米级近场光源。通过左右两个金属触点测量石墨烯(由h-BN层封装)中的近场感应光电流。LG1和LG2分别表示用于控制石墨烯中载流子浓度的双栅(金),位于石墨烯的左侧和右侧。b. 在f = 2.52 THz下记录的实验近场光电流Ipc图像。选择载流子密度n1= 0.77 ×1012 cm-2, n2 = -0.71x1012 cm-2。水平白色实线标志着石墨烯片的边缘。[3]
2. 半导体材料的物理特性表征——应变与应力
此外,Hillenbrand团队还利用CO2激光器在红外波段进行近场成像,在纳米尺度上成功映射了半导体材料中的应变场分布[4]。这种非破坏性的成像技术展示了CO2激光器在探测半导体材料内部应变和应力分布方面的优势,对于半导体器件的设计和优化具有重要意义。相比于其他探测手段,如电子显微镜或X射线衍射,红外近场光学显微技术不仅具有更高的灵敏度,还能够以非破坏性的方式对复杂的三维结构进行成像,特别适用于研究半导体材料的表面和亚表面特性。

图4 外延生长SiC晶体中纳米压痕的s-SNOM图像。在30 um厚的晶体上分别施加7 mN(a)、10 mN(b)和13 mN(c)的负载。形貌图像(左)显示,随着载荷的增加,三角形凹陷的尺寸不断增大,而时的红外图像(右)显示了残余应变场的空间扩展和不对称。加载载荷的系统变化表明,在约10 mN时,裂纹萌生即将开始,这可以通过直接在压痕的下角处降低的红外信号来识别。在施加13 mN的载荷时,在缩进的下角产生纳米裂纹。d以更高的分辨率显示了纳米裂纹周围和裂纹尖端的残余应变场。[4]
3. 纳米器件的电学特性表征——载流子浓度
在另一项由Hillenbrand团队进行的研究中,研究人员利用CO2太赫兹激光泵浦CH3OH激发的2.54 THz波段来探测半导体纳米器件中的移动载流子分布[1]。这项研究通过近场显微技术实现了约40纳米的空间分辨率,具有极高的灵敏度,可以检测少于100个电子的移动载流子,揭示了纳米尺度下材料的电学特性。
研究还将这一结果与使用CO2太赫兹激光器在28 THz(中红外)下的成像结果进行了对比,太赫兹信号比相同的红外近场图像更详细地揭示了晶体管硅衬底内不同的载流子浓度变化。这种对比研究展示了THz和中红外频段的近场成像技术在探测材料光学特性时的互补性。特别是在半导体器件中,CO2太赫兹激光器的中红外频段可以用来探测材料的化学成分和结构,而THz频段则更适合探测电学特性,如载流子浓度和迁移率等。

图5 THz近场显微镜下的多晶体管器件剖面结构。a. AFM形貌图(左上)和同时获得的太赫兹近场图像(左下),硅衬底内变化的太赫兹信号揭示了不同的移动载流子浓度。红外近场图像(右上)清楚地表明,只有在太赫兹照明下才能识别移动载波浓度的变化。b. 类似但经蚀刻的样品的SEM图像验证了太赫兹图像可以区分不同的材料和单个晶体管。[1]
综上所述,Rainer Hillenbrand教授、Frank H. L. Koppens教授及他们团队利用CO2太赫兹激光器在近场光学显微技术中开展的研究,展示了THz在多个领域的强大应用潜力。这些研究不仅揭示了材料的内部结构及其动态行为,还为未来光子器件的设计和开发提供了新思路。随着技术的进一步发展,基于THz和红外辐射的应用将更加广泛,从超高灵敏度的生物传感器到新型量子信息处理器件,这些技术将在未来的科学研究和技术开发中扮演重要角色。
注:文中所用主要仪器
名称 | 型号 | 厂家 |
CO2太赫兹激光器 | SIFIR-50 | Coherent |
近场AFM主机 | NeaSNOM | Nearspec |
探测器 | RSI-5T | Scontel |
成都觅几科技有限公司长期致力于近场光学仪器技术开发,可提供可见-近红外-太赫兹全频段近场测试及产品供应服务,欢迎咨询。
参考文献
[1] Huber, A.J., et al., Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices. Nano Letters, 2008. 8(11): p. 3766-3770.
[2] Chen, J., et al. Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons. Nature, 2012. 487: 77–81.
[3] Alonso-González, P., et al. Acoustic terahertz graphene plasmons revealed by photocurrent nanoscopy. Nature Nanotechnology, 2017. 12: 31–35.
[4] Huber, A., et al. Infrared nanoscopy of strained semiconductors. Nature Nanotechnology, 2009. 4: 153–157.