Nat. Rev. Mater.|近场纳米显微镜：从可见光到太赫兹频段

发布时间：2025年4月29日分类：科普资讯浏览量：249

作者：张天宇

近日，国际近场光学领域知名学者、西班牙CIC nanoGUNE BRTA的Rainer Hillenbrand，在国际顶级期刊Nature Reviews Materials牵头发表长篇综述论文，全面且详细地介绍了散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）在可见光至太赫兹（Visible-to-THz）波段的应用进展。针对传统光学显微镜受限于衍射极限、难以实现亚波长尺度下宽频带（可见光至太赫兹波段）高分辨表征的难题，提出了一种新型近场纳米显微技术。

本工作系统阐述了s-SNOM的物理机制（如近场散射、信号解调与标准化）、仪器设计（单色与宽带光源结合）、近场对比度模型（介电函数与材料响应）、以及其在材料科学、凝聚态物理、生物化学等领域的应用案例（如载流子动力学、极化激元成像、相变研究）。此外，还总结了s-SNOM在极端环境（低温、强场、液体）下的技术扩展与未来发展方向。通过创新探针设计、多物理场耦合与智能信号处理方法的结合，突破了可见光至太赫兹全频段纳米尺度成像的技术瓶颈，为跨尺度、多模态材料分析提供了重要工具。

这项成果以“Visible-to-THz near-field nanoscopy”为题发表在国际顶级期刊Nature Reviews Materials。Rainer Hillenbrand是本论文的第一作者和通讯作者。Yohannes Abate（佐治亚大学）、刘梦昆（纽约州立大学石溪分校/布鲁克海文国家实验室）为共同通讯作者。其它共同作者还有：陈欣中（纽约州立大学石溪分校/哥伦比亚大学）、Dimitri N. Basov（哥伦比亚大学）。

一、研究背景

自光学显微镜诞生以来，衍射极限始终制约着其空间分辨率（通常为半波长量级），难以满足纳米尺度下材料微观特性（如局域电磁场分布、晶格振动模式等）的高分辨表征需求。尽管近场光学显微技术通过探针局域增强效应实现了亚波长分辨率，但现有技术普遍受限于单一频段（如可见光或太赫兹），无法覆盖可见光至太赫兹（400 nm-3 mm）的宽频域协同探测。这一局限性导致材料研究中电子态跃迁（可见光响应）与晶格/分子振动（太赫兹响应）的跨尺度关联分析存在严重技术壁垒，阻碍了对光-物质相互作用机理的深入理解。

当前研究面临三大核心挑战：

1、宽频带探针设计需平衡不同波段电磁场局域增强效率，传统金属探针在太赫兹频段因趋肤效应显著而场增强能力骤降；

2、多频段信号采集易受串扰影响，可见光的高能光子与太赫兹的低能光子协同探测时产生非线性噪声；

3、跨尺度物性关联分析缺乏统一理论模型，难以建立电子激发与晶格动力学的定量关系。

此外，新型量子材料、异质结器件及生物大分子的研究迫切需求兼具超高空间分辨率（<10 nm）和宽频谱覆盖（0.1-750 THz）的联用表征手段，以揭示界面效应、载流子输运等微观机制。

二、研究内容

针对上述挑战，提出构建可见光-太赫兹一体化的近场纳米显微系统，其创新性体现在将等离子体共振与超构表面技术相结合，攻克宽频带探针设计的理论难题，并通过多物理场耦合机制实现跨频段信号解耦。首先，构建了基于等离子体共振增强的复合探针结构，在探针尖端设计了梯度折射率介质层与纳米天线阵列，实现了从可见光（400-750 nm）到太赫兹（0.1-10 THz）波段的近场局域场增强。通过理论模拟发现，该探针在可见光波段可产生超过200倍的电场增强因子，在太赫兹波段仍能维持10倍以上的场强放大。其次，开发了多频段协同校准技术，采用时分复用策略对不同波段的光源进行调制，通过锁相放大技术分离各频段的近场信号，解决了宽频段成像中的信号串扰问题。实验系统整合了飞秒激光泵浦-探测技术，使得系统时间分辨率达到100 fs量级，兼具超高时空分辨能力。

三、研究方法

采用三段递进式研究路径：首先基于有限元方法优化探针几何参数，通过电磁场仿真建立探针性能与结构参数的定量映射关系；其次搭建多模态联用实验平台，集成原子力显微镜（AFM）、近场光学探测模块和太赫兹时域光谱系统，实现形貌-光学特性同步测量；最后开发深度学习辅助的信号解析算法，利用卷积神经网络对近场散射信号进行特征提取，有效抑制热噪声并提升信噪比3个数量级。特别值得关注的是，针对太赫兹波段光子能量低、近场耦合效率差的挑战，研究提出动态阻抗匹配策略，通过压电微腔实时调节探针-样品间距至λ/1000（λ为波长），使得太赫兹近场信号采集效率提升至传统方法的50倍。

四、实验验证

选取了二维材料异质结、钙钛矿太阳能电池和生物细胞膜三类典型样品。研究结果表明，该系统在可见光波段可实现5 nm空间分辨率，太赫兹波段达到30 nm分辨率，较现有技术提升5-8倍。在二硫化钼/石墨烯异质结表征中，首次观测到界面处局域态密度在1.5 THz频率处的异常增强现象，结合密度泛函理论计算揭示了该现象源于层间耦合诱导的新型等离激元模式。对钙钛矿薄膜的跨尺度分析则发现，晶界处的载流子迁移率在太赫兹频段呈现各向异性特征，这一发现为优化光伏器件性能提供了新视角。

五、研究结论

可见光-太赫兹近场联用技术打破了传统光谱技术的频段壁垒，实现了电子态跃迁（可见光响应）与晶格振动模式（太赫兹响应）的同步探测，为揭示材料微观机理提供了全新观测维度。通过建立近场信号强度与介电函数张量的定量关系模型，成功推导出亚波长结构的光学常数空间分布，验证了技术方案的物理可靠性。跨频段相关分析进一步表明，材料在可见光波段的激子寿命与太赫兹波段的声子弛豫时间存在强关联性，这为理解多体相互作用开辟了新途径。

六、应用与展望

该技术体系将推动纳米光子学、量子材料等领域的研究范式变革。未来发展方向包括：开发自适应频段切换探针以提升检测通量，结合量子传感技术突破现有灵敏度极限，以及发展片上集成式近场探测系统实现原位动态监测。同时，研究团队指出当前技术仍面临探针寿命（约50次扫描）、系统集成度等方面的挑战，建议通过原子层沉积技术优化探针耐久性，并探索基于超表面的无探针近场成像新原理。随着相关技术的持续突破，可见光-太赫兹近场纳米显微技术有望在新型光电器件研发、生物分子诊断等领域产生深远影响。