一種散射式的掃描近場(chǎng)太赫茲顯微鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種散射式的掃描近場(chǎng)太赫茲顯微鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在材料科學(xué)領(lǐng)域，科研工作者都致力于將納米結(jié)構(gòu)集成到新一代的光電子器件中，然而納米級(jí)分辨率的光電子器件電學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)的缺乏嚴(yán)重地阻礙了其發(fā)展。鑒于許多納米結(jié)構(gòu)的帶間、子帶間躍迀都是處于太赫茲(Terahertz，THz)波段，這使得基于THz波的無(wú)接觸電子學(xué)特征參數(shù)檢測(cè)表現(xiàn)出了巨大的潛力。另一方面，許多分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式、生物大分子的集體振動(dòng)能級(jí)、分子間弱的相互作用力等都處于太赫茲波段，同時(shí)布料、紙張等對(duì)光學(xué)波段不透明的極性材料在太赫茲波段都是透明的，石墨烯、摻雜硅等材料與太赫茲波有強(qiáng)相互作用，因此THz技術(shù)作為一種實(shí)時(shí)、無(wú)標(biāo)記、無(wú)損的檢測(cè)技術(shù)在材料物質(zhì)表征和生物樣品檢測(cè)等方面得到了迅猛發(fā)展。
[0003]雖然THz檢測(cè)技術(shù)在半導(dǎo)體器件檢測(cè)、材料表征、分子檢測(cè)方面已凸顯出極大的發(fā)展前景。然而目前的太赫茲波檢測(cè)技術(shù)都是基于傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡組，這使得其成像的空間分辨率受衍射極限的限制，其最佳空間分辨率約為太赫茲波波長(zhǎng)的一半，即對(duì)ITHz的太赫茲波來(lái)說(shuō)其最佳空間分辨率約為150 μ m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地限制其在納米級(jí)半導(dǎo)體器件及生物體系(生物大分子、細(xì)胞和組織)檢測(cè)等方面的應(yīng)用。因此突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)空間分辨率成像是THz檢測(cè)技術(shù)亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種散射式的掃描近場(chǎng)太赫茲顯微鏡，能夠同時(shí)獲得物質(zhì)納米級(jí)分辨率三維形貌成像和納米級(jí)空間分辨率的太赫茲光譜成像，為納米級(jí)的材料表征、納米級(jí)大小的半導(dǎo)體器件和生物大分子檢測(cè)提供支持。
[0005]所述散射式的掃描近場(chǎng)太赫茲顯微鏡是在掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)下將掃描探針顯微技術(shù)與太赫茲波檢測(cè)技術(shù)有效的結(jié)合起來(lái)，通過(guò)探測(cè)不受衍射極限約束的近場(chǎng)光學(xué)信號(hào)對(duì)物體成像，使得空間分辨率能突破衍射極限達(dá)到亞波長(zhǎng)級(jí)別甚至納米級(jí)別。所述散射式的掃描近場(chǎng)太赫茲顯微鏡在對(duì)樣品進(jìn)行納米級(jí)分辨率三維形貌成像的同時(shí)能突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限獲取物質(zhì)納米級(jí)光學(xué)空間分辨率的太赫茲光譜，因此可以同時(shí)從樣品形貌和樣品的太赫茲波近場(chǎng)指紋光譜兩方面對(duì)樣品進(jìn)行分析，可為納米級(jí)材料表征、納米級(jí)大小半導(dǎo)體器件和生物樣品的檢測(cè)提供有效方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]—種散射式的掃描近場(chǎng)太赫茲顯微鏡，包括太赫茲波產(chǎn)生元件、太赫茲波可視調(diào)節(jié)元件、太赫茲波干涉元件、掃描探針顯微成像及太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)調(diào)制部件、太赫茲波檢測(cè)元件、鎖相放大器、控制電腦；
[0008]所述太赫茲波產(chǎn)生元件用于產(chǎn)生太赫茲波，產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)過(guò)太赫茲波可視調(diào)節(jié)元件輔助調(diào)節(jié)后一部分傳送至太赫茲波干涉元件，另一部分傳送至掃描探針顯微成像及太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)調(diào)制部件，從二者返回的太赫茲波被傳送至太赫茲?rùn)z測(cè)元件，其中太赫茲波檢測(cè)元件與鎖相放大器相連；掃描探針顯微成像及太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)調(diào)制部件根據(jù)對(duì)探針控制反饋信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)納米分辨率的三維形貌成像，同時(shí)對(duì)太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；控制電腦用于對(duì)太赫茲波產(chǎn)生元件、太赫茲波干涉元件、掃描探針顯微成像及太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)調(diào)制部件、太赫茲波檢測(cè)元件、鎖相放大器進(jìn)行控制。
[0009]進(jìn)一步，所述太赫茲波可視調(diào)節(jié)元件包括可視激光器、用于可視激光光束擴(kuò)束的擴(kuò)束鏡、用于太赫茲波和可視激光共軸傳輸?shù)谋∧し质鳌?br>[0010]進(jìn)一步，所述掃描探針顯微成像及太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)調(diào)制部件包括金屬納米探針、掃描成像控制元件、壓電陶瓷管，所述掃描成像控制元件精確控制金屬納米探針與壓電陶瓷管上樣品之間的相對(duì)位置，同時(shí)通過(guò)掃描成像控制元件對(duì)壓電陶瓷管施加電壓來(lái)促使壓電陶瓷管在三維方向做納米級(jí)精確移動(dòng)，從而對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)納米分辨率的三維形貌成像，同時(shí)所述金屬納米探針在垂直方向以一定機(jī)械振動(dòng)頻率振動(dòng)來(lái)對(duì)太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。
[0011]進(jìn)一步，所述太赫茲波干涉元件包括太赫茲波分束鏡、安裝有高精度一維電動(dòng)平移臺(tái)的反射鏡，所述太赫茲波分束鏡將太赫茲波分成探測(cè)用太赫茲波和干涉用太赫茲波，其中探測(cè)用太赫茲波輸入鍍有金屬的離軸拋物面鏡聚焦后照射在金屬納米探針上，干涉用太赫茲波則垂直輸入到所述反射鏡上，太赫茲波分束鏡也能將從反射鏡反射回來(lái)的干涉用太赫茲波和從金屬納米探針散射的太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行合并，同時(shí)控制高精度一維電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)反射鏡的位置來(lái)調(diào)節(jié)干涉用太赫茲波與近場(chǎng)太赫茲波信號(hào)的相位差，以便獲得最大的太赫茲波干涉信號(hào)；所述太赫茲波檢測(cè)元件用于接收從太赫茲波分束鏡出來(lái)的干涉且聚焦后的太赫茲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的探測(cè)。
[0012]進(jìn)一步，所述鎖相放大器對(duì)太赫茲波檢測(cè)元件探測(cè)的太赫茲波信號(hào)在金屬納米探針懸臂機(jī)械振動(dòng)頻率的基頻或高次諧波進(jìn)行鎖相放大來(lái)提取太赫茲波近場(chǎng)信號(hào)。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明能夠同時(shí)獲得物質(zhì)納米級(jí)分辨率三維形貌成像和納米級(jí)空間分辨率的太赫茲光譜成像，為納米級(jí)的材料表征、納米級(jí)大小的半導(dǎo)體器件和生物大分子檢測(cè)提供支持。
【附圖說(shuō)明】
[0014]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明:
[0015]圖1為實(shí)施例所涉及的一種散射式的掃描近場(chǎng)太赫茲顯微鏡的構(gòu)成圖；
[0016]圖2為實(shí)施例所涉及的太赫茲波和可視激光共軸傳輸構(gòu)成圖；
[0017]圖3為實(shí)施例所涉及的可視調(diào)節(jié)方案的構(gòu)成圖；
[0018]其中，1，2—分布式反饋激光器、3—光學(xué)混頻器、4 一混頻發(fā)生器、5—可視激光器、6—平凸透鏡、7，11 一雙凸透鏡、8，13，14，17，18—光闌、9，10，19 一反射鏡、12—薄膜分束器、15，20，22—離軸拋物面鏡、16—太赫茲波分束鏡、21—金屬納米探針、23—混頻接收器、24—鎖相放大器、25—控制電腦、26—壓電陶瓷管、27—可見(jiàn)激光分束鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明提供了一種散射式的掃描近場(chǎng)太赫茲顯微鏡，該裝置包括(I)太赫茲波產(chǎn)生元件，其用于太赫茲波的產(chǎn)生；(2)太赫茲可視調(diào)節(jié)元件，其包括可視激光器、擴(kuò)束鏡、薄膜分束器，所述可視激光器輻射出的光斑直徑較小，所以可視激光被擴(kuò)束鏡擴(kuò)大后可以準(zhǔn)確、方便地對(duì)不可見(jiàn)太赫茲波光路進(jìn)行可視的輔助調(diào)節(jié)，再通過(guò)薄膜分束器將可視激光和從所述太赫茲波產(chǎn)生元件輻射出的太赫茲波實(shí)現(xiàn)共軸傳輸，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲波的可視聚焦及準(zhǔn)直；(3)太赫茲波干涉元件，其包括太赫茲波分束鏡、安裝有高精度一維電動(dòng)平移臺(tái)的反射鏡，通過(guò)太赫茲可視調(diào)節(jié)部準(zhǔn)直后的太赫茲波輸入到太赫茲波分束鏡，被分成探測(cè)用太赫茲波和干涉用太赫茲波，其中探測(cè)的太赫茲波輸入金屬納米探針針尖，干涉用太赫茲波垂直輸入到反射鏡后反射回來(lái)與從金屬納米探針散射回來(lái)的近場(chǎng)太赫茲信號(hào)進(jìn)行干涉，通過(guò)移動(dòng)高精度一維平臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)近場(chǎng)太赫茲信號(hào)和干涉用太赫茲信號(hào)之間的相位差，從而改變兩束太赫茲波的干涉狀態(tài)，獲得最大太赫茲波干涉信號(hào)