散射式扫描近场显微镜进阶！近场层析透视——挖掘亚表面信息

作者：张倬铖

看过我们之前文章的小伙伴已经知道，散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM），是一种可以把可见光到太赫兹等电磁波聚焦到纳米尺度、直接读取样品“纳米光谱指纹”的显微技术[1]。它的诀窍是：让探针轻敲样品表面，近场信号对探针–样品距离极其敏感，被调制到探针振动的谐波（nΩ）上。我们只要在这些高阶谐波上“解锁”信号，就能远远突破衍射极限，获得纳米级的成像和光谱，真正看到样品的微观结构和成分。

今天来聊聊厉害的进阶玩法：近场层析。

s-SNOM 有个非常有趣的特性：我们读出的每一个阶次的信号（s₁、s₂、s₃……），其实就像“深浅不同的透视滤镜”，对样品的不同“深度”有不同的敏感度。比如说，高阶信号（比如 s₄、s₅）对样品表面最敏感，看到的是最贴近表层的成分和结构；低阶信号（比如 s₁、s₂）能穿透更深，带出埋藏层、覆盖层的信号。这就是近场层析的物理基础：阶次越高，越表面；阶次越低，越深层。

利用这个特性， 不仅能看到样品的表面，还能“分层”看到覆盖层、埋藏层，甚至几乎像做 CT 一样，按深度逐层读取样品的“纳米光谱指纹”。简单说，近场层析将表面和埋藏信息一层层“剥开”，真正做到纳米级的“透视”和深度判别。

为啥“阶次越高越表面”？

其实这背后有一套非常有趣的物理机制。s-SNOM 的近场信号可以理解为一束不同横向动量（q）的倏逝波的混合。动量 q 越大，场的衰减越快，穿透得越浅，所以只对表面附近特别敏感；q 越小，能穿透得更深，能探测样品内部的信息。

高阶的近场信号，本质上更偏向这些“大 q”成分，相当于给表面的“信号权重”拉高了；而低阶信号保留了更多小 q 分量，也就能看到更深层的成分和结构。这就像我们用一组“物理滤镜”，可以从表到里，一层一层地把材料分辨开来。

与之对应的是，高 q 的近场波不仅“贴表面”，电场也局域得更厉害，这就让分辨率大大提升。所以高阶信号不仅越表面，分辨率也越高——这也是近场显微镜能做到纳米、甚至十几纳米超分辨的秘密。

在近场层析里，我们不仅能区分不同层的信号强弱，更重要的是能看到不同深度的纳米光谱（比如峰位、线形）会系统性地发生变化。这是因为，近场信号的光谱峰位受动量相关反射系数 β(ω,q) 的控制。对于多层结构，β(ω,q) 会随着 q（也就是“深浅”）发生改变，导致共振峰随着层位和厚度发生系统性偏移。

最后是多层样品的近场信号计算方法，常用的模型是有限偶极子模型（FDM），计算出近场散射系数，以下是具体的公式[3]：

其中，R、L、g：R 为尖端曲率半径，L 为等效长度（椭球长半轴），g 为无量纲校准因子（≈0.6–0.7）；a 为等效源高度（等效电荷到表面的距离），取a=1.4R；t₁ 为覆盖层厚度；εᵢ(ω) 是各层的复介电常数（用于 βᵢⱼ 计算）；r(ω) 为表面远场反射系数。

 参考文献 

[1] Hillenbrand, Rainer, et al. "Visible-to-THz near-field nanoscopy." Nature Reviews Materials 10.4 (2025): 285-310.

[2] Govyadinov, Alexander A., et al. "Recovery of permittivity and depth from near-field data as a step toward infrared nanotomography." Acs Nano 8.7 (2014): 6911-6921.

[3] Mester, Lars, et al. "Subsurface chemical nanoidentification by nano-FTIR spectroscopy." Nature communications 11.1 (2020): 3359.