散射式扫描近场显微镜应用

在前面的文章中我们提到，散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）是一种跨越了光学显微镜和电子显微镜两类仪器工作范围的精密成像仪器，具有独特的优点：有超高的分辨率、无损检测、实时成像、可以获得样品表面的光学信息等。^[1]s-SNOM一般由电/光学信号源、探测器、AFM和外围光路组成。

太赫兹s-SNOM原理如图1所示，太赫兹波聚焦到AFM探针，探针以频率Ω振动的轻敲模式工作，探针周期振动可以对太赫兹波进行调制。接收到调制的太赫兹波后，进行高阶谐波解调，可以有效去除背景信号和噪声，得到近场信号。采用AFM探针逐点扫描，可得到样品各点的近场信号，实现近场纳米成像。s-SNOM的成像分辨率只跟探针的尖端尺寸相关，与入射波的波长无关。使得s-SNOM能够突破传统光学成像的衍射极限,获得与AFM媲美的纳米级分辨。^[2]

s-SNOM根据工作模式的不同也有不同的分类，主要分为两种：连续波s-SNOM和时域光谱（TDS）s-SNOM。分别如图2和图3所示。

• 连续波SNOM和TDS的区别

2013年，Andreas P. Engelhardt等人利用连续波s-SNOM系统地研究了散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的时间振动幅度对埋藏结构在图像对比度、信号强度和噪声方面的可能性的影响^[5]。实验光源频率约28.3THz，样品为覆盖32nmPMMA涂层的25nm金三角，如下图所示。

图5展示了不同针尖振幅下形貌、二次和三次信号光学振幅的图像。实验发现，随着振幅逐渐增加，形貌图几乎不变化，但对于近场信号来说，近场扫描三角形的轮廓愈发清晰。

图6展示了二次、三次信号的光学信号对比度和信噪比。数据显示，随针尖振幅增大，二次、三次信号光学对比度总体呈现下降趋势。随针尖振幅增大，二次、三次信号光学的信噪比逐渐上升。

文章提出，对于SNOM测量的定量分析，必须对探针振动幅度和信号解调阶数进行适当的选择。对于定量测量，最好将振动幅度保持在较低的水平，但要足够高，以便与实验的噪声水平相比有显著的信号差异。除了振幅外，信号调制阶数的选择也是信号强度和背景贡献的关键因素。

2024年，PINGCHUAN MA等人利用时域光谱（TDS）s-SNOM研究了深埋在二氧化硅层下的金属线的太赫兹无孔近场成像的空间分辨率特征，并进行了COMSOL模拟验证^[4]。实验原理如图3所示，实验样品为硅基芯片部分电路，如图7所示，其中a）为扫描电镜图，b）为AFM形貌图，c）为COMSOL模型图。

文章展示了埋在介质层下方的纳米级金属特征的THz s-SNOM成像，如图8所示，其深度大于AFM针尖半径的5倍。图9展示了对于200 nm的覆盖层厚度下，不同谐波解调阶数下的空间分辨率的测量值（红色）和模拟值（黑色）。在这两种情况下，较低解调时的分辨率更好，这与通常观察到的表面结构相反。模拟的总体趋势也与实验相似。

作者还观察到对比度对入射光照射方向的依赖性，这是由AFM针尖对散射信号的遮挡引起的。这些效应均与包括样品和尖端的COMSOL模拟一致，如图10所示。

总体来讲，连续波s-SNOM适合研究样品的静态特性，如表面形貌、折射率分布等，其系统简单，成像速度快。时域光谱（TDS）s-SNOM适合研究样品的超快动态过程，如电子运动、分子振动等，其系统复杂，但能提供极高的时间分辨率。在实验时应根据我们所需的实验结果，选择正确的工作模式。