Experimentelle Prinzipien der passiven Infrarot-Nahfeldmikroskopie (SNoiM) und ihre Anwendungen
Near-field radiation at the surface of an object is difficult to detect due to its swift-wave nature (i.e., the intensity decreases sharply as it moves away from the surface of the object). In SNoiM, this problem is effectively solved using the scanning probe technique. As shown in Fig. 1(b), when the nanoprobe is not introduced (or the probe is far away from the object surface), the near-field snappy waves near the surface of the object cannot be detected, and the microscope operates in the conventional infrared thermography mode, which obtains only the far-field radiated signals.The key of the SNoiM technique is to bring the probe close to the near-surface of the sample (e.g., within 10 nm) so that the near-field snappy waves can be effectively scattered by the tip of the probe. In this detection mode, both near-field and far-field components are present in the sample signal acquired by the probe. Therefore, by controlling the probe-to-surface spacing h, a mixed near-field and far-field signal (h < 100 nm, called near-field mode) or a single far-field signal (h >>100 nm oder Rückzug der Sonde, genannt Fernfeldmodus) kann erreicht werden. Letztlich können die Nahfeldinformationen des Objekts mithilfe der Sondenhöhenmodulations- und -demodulationstechniken aus dem Fernfeldhintergrund extrahiert werden.
Die von der Sonde gestreuten Nahfeldsignale werden zunächst von einer Infrarot-Objektivlinse mit hoher numerischer Apertur erfasst. Die von der Umgebung, dem DUT und dem Instrument selbst im Fernfeld abgestrahlten Signale können dabei jedoch nicht aufgehoben werden und werden zusammen mit den Nahfeldsignalen von der Infrarot-Objektivlinse erfasst, was dazu führt, dass die schwachen Nahfeldsignale des DUT durch die starke Fernfeld-Hintergrundstrahlung vernichtet werden. Um die Fernfeld-Hintergrundsignale zu minimieren, haben die Forscher eine konfokale Blende mit einer sehr kleinen Öffnung (~100 μm) über der Infrarot-Objektivlinse entwickelt, die den Erfassungspunkt verkleinert und die Hintergrundstrahlungssignale wirksam unterdrückt. Selbst damit ist es jedoch schwierig festzustellen, ob es einen ausreichend empfindlichen Infrarotdetektor gibt, der die schwachen Nahfeldsignale erkennen kann, die von den Nanosonden gestreut werden. Zu diesem Zweck hat unser Team einen ultrahochempfindlichen Infrarotdetektor entwickelt, um diese technische Barriere zu überwinden.
Darunter ist der goldene zylindrische Hohlraum ein kryogener Dewar, der den selbst entwickelten ultrahochempfindlichen Infrarotdetektor (CSIP) und einige optische Niedertemperaturkomponenten enthält; der weiße Kasten zeigt das Stimmgabel-basierte Rasterkraftmikroskop (AFM), das Infrarot-Sammelobjektiv und den im Labor zusammengebauten Probentischbereich. Die räumliche Auflösung des IR-Nahfeldbildes ist nicht mehr durch die Sondenwellenlänge begrenzt, sondern wird durch die Sondenspitzengröße bestimmt. Durch elektrochemische Ätzverfahren können Metall-(Wolfram-)Nanosonden mit hervorragender Morphologie hergestellt werden, bei denen der Spitzendurchmesser nur 100 nm oder weniger betragen kann.
