AFM光學測量

光學測量

突破光學衍射極限實現納米級的光學成像與探測，一直是光學技術發展的前沿。2014 年諾貝爾化學獎授予了突破光學衍射極限的超分辨光學顯微成像技術，包括受激發射損耗顯微術、光敏定位顯微術、隨機光學重建顯微術、飽和結構照明顯微技術等。將AFM與光學技術結合起來，可以研究微納米尺度下的光學現象和進行光譜探測，其中最常見的是掃描近場光學顯微術(scanning near-field optical microscopy，SNOM)。

最近發展起來一些基于AFM的超高分辨光學技術，如散射型近場光學顯微術(scattering- SNOM，s-SNOM)、納米紅外光譜技術(nanoIR 或AFM-IR)在納米光學、等離子體光學等方面有重要作用[8]。如圖3 所示，s-SNOM 技術是將入射光聚焦到外層鍍有光滑金屬層的AFM探針尖端，由于探針與樣品之間的近場相互作用，在針尖尖端出現納米聚焦效應，從而影響并改變了背散射光，通過在AFM 掃描樣品形貌的同時，收集并分析背散射光可以得到超高分辨率的光學圖像。AFM-IR是利用光熱誘導共振(photothermal-induced resonance，PTIR)將具有高空間分辨率、納米級定位和成像功能的AFM與紅外光譜技術結合，使紅外光譜的空間分辨率提高至100 nm以下，從而突破了光學衍射極限，能夠給出樣品納米尺度下的樣品化學與結構信息，使得納米尺度紅外光譜測試成為可能[9]。在AFM-IR中，使用連續可調脈沖紅外光源照射樣品，樣品分子吸收特定波長的紅外輻射產生熱量，從而引發樣品快速熱膨脹，使接觸樣品的AFM微懸臂探針產生共振振蕩，振蕩波以鈴流的形式衰減，采用傅里葉變換法對鈴流進行分析，即可獲得振動的振幅和頻率，通過建立微懸臂的振幅與紅外光源波長的關系，可得到局部吸收光譜。將紅外光源調整為單波長，可以實現特定波長下同步的樣品表面形貌和紅外光譜吸收成像，提供超高分辨率的樣品組分分布。AFM-IR 可以廣泛用于軟物質研究中，如聚合物共混物、電紡纖維、細胞、細菌、淀粉樣聚集體等。