提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法及装置，所述装置包括：原子力显微镜探针、样品扫描台、物镜系统、分光器件、光束调整系统、激发光源、拉曼光谱系统、原子力显微镜控制系统；所述方法包括：S1：将直接照射探针针尖的光束进行入射方向的调整，使光束先照射到探针的悬臂梁表面，经过悬臂梁反射后光束再照射探针尖端；S2：对光束发散角进行控制，使探针在接触到基底表面时光束聚焦到探针尖端；S3：调整聚焦光斑的偏振态，使沿探针轴向方向的偏振分量最大。本发明专利技术利用原子力显微镜探针悬臂梁作为反射镜，动态调整激发光聚焦位置，可实现在非接触工作模式下提高针尖局域增强拉曼散射信号。

【技术实现步骤摘要】
提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法及装置
本专利技术涉及高精密仪器领域，更具体地，涉及一种提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法及装置。
技术介绍
针尖增强拉曼散射(TERS)技术结合了扫描探针显微镜与表面增强拉曼散射两种技术，在获得样品形貌信息的同时能够获得超高灵敏度与超高空间分辨率的拉曼光谱信息，在纳米材料表征、分子成像等研究领域具有重要的应用价值。针尖增强拉曼散射技术的超高灵敏度与空间分辨率一个重要因素是激发光聚焦在探针针尖处激发的高度局域性的局域表面等离激元，而表面等离激元分布与探针-样品的距离息息相关，只有在探针与样品保持在非常小的距离的时候才能够有效地增强拉曼信号，所以原子力显微镜平台的TERS系统需要工作在接触模式下。然而，接触工作模式下，探针与样品之间的作用力比较大，且探针比较容易受到温度漂移的影响而使实际的探针-样品作用难以稳定，并不是很适合比较软的样品的表征。TERS系统常用的样品多为石墨烯、纳米管类型的低维纳米材料、单分子材料等，在实际的TERS成像时研究人员往往首先使用非接触模式对样品进行初步的表征，再在接触模式下进行TERS探测成像，但TERS扫描成像需要较长时间，温度漂移造成的影响仍然难以避免。利用多通道探测技术、声光调整设备等方法可以提高非接触模式下的TERS信号，但多通道技术只针对特定波长信息，难以实现完整光谱探测。该两种方案都需要到成像系统软硬件方面进行改进，在一定程度上提高系统的复杂性与设备成本。制备可以实现远场激发表面等离激元的探针具有在非接触模式提高TERS信号的潜力，但探针制备在很大程度是限制了应用。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的针尖局域拉曼散射信号强度不够高的缺陷，提供一种提高原子力显微镜非接触模式下TERS信号的方法及装置。本专利技术所述非接触模式泛指接触模式以外的探针在z方向做周期运动的工作模式。所述方法包括以下步骤：S1：，利用光束调控器件，即光束调整系统中的光束方向调整器件；将直接照射探针针尖的光束进行入射方向的调整，使光束先照射到探针的悬臂梁表面，经过悬臂梁反射后光束再照射探针尖端；由于光路系统发生改变，此时的光斑聚焦位置不一定在探针针尖，故执行S2：对光束发散角进行控制，使探针在接触到基底表面时光束聚焦到探针尖端；当探针接触到基底表面时，激发光照射探针悬臂梁表面反射后再照射到探针针尖产生增强的局域表面等离激元。当探针离开基底表面时，激发光聚焦位置也随着探针位置的变化而远离针尖，减弱非探针产生的信号，提高TERS信号对比度。这样既可以使用原子力显微镜的非接触模式进行样品表征，由可以提高TERS信号灵敏性。S3：利用光学偏振器件，即光束调整系统中的激光偏振态调整器件，调整聚焦光斑的偏振态，使沿探针轴向方向的偏振分量最大，以提高针尖局域电磁场的增强效率。优选地，在原子力显微镜接触模式下进行步骤S1和S2。优选地，在执行步骤S1-S3的同时可以在样品台表面制备单分子薄膜样品，利用光谱仪实时探测分子膜的拉曼信号强度以反馈针尖TERS增强效果，将光束调整到最佳状态，以实现最高的TERS增强效果。优选地，当进行TERS探测或点扫描成像时将原子力显微镜工作模式切换到非接触模式。优选地，所述方法应用在透射系统或TERS系统。也具有在其他照明方式的TERS系统的潜力。本专利技术还提供一种提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的装置，所述装置可以应用本专利技术所述方法，所述装置包括：原子力显微镜探针、样品扫描台、物镜系统、分光器件、光束调整系统、激发光源、拉曼光谱系统、原子力显微镜控制系统；激发光源用来发出激发光束；激发光速可依次穿过光束调整系统、分光器件、物镜系统、样品扫描台而射到原子力显微镜探针上；探针用来探测样品形貌与产生TERS增强效应；样品扫描台用来控制样品移动；物镜系统用来聚焦激发光与信号收集；分光器件用来分离激发光与信号光；光束调整系统实现激光偏振态、光束方向与汇聚发散方面的调控；拉曼光谱系统用来收集拉曼光谱信号；原子力显微镜控制系统可以与拉曼光谱系统进行双向联动控制，实现样品定位与光谱收集。优选地，所述原子力显微镜探针的下表面镀有金或银电磁场增强介质。原子力显微镜平台在探针表面镀几十纳米厚的金或银金属薄膜，该金属膜可以保证悬臂梁良好的光学反射特性与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术利用原子力显微镜探针悬臂梁作为反射镜，动态调整激发光聚焦位置，以减弱探针远离样品时常规激发光聚焦产生的拉曼信号，实现在非接触工作模式下提高针尖局域增强拉曼散射信号，是一种高灵敏、高空间分辨率拉曼信号探测技术。附图说明图1为实施例1所述流程图。图2为实施例2所述装置图。图中：1-探针、2-样品扫描台、3物镜系统、4-激发光束、5-分光器件、6-光束调整系统、7-激发光源、8-拉曼光谱系统、9-原子力显微镜控制系统。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。实施例1：本实施例提供一种提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法，如图1所示，本实施例以常规透射照明TERS系统为例进行简要说明如何实现光学系统的改造。S1：首先在接触模式下进行系统改进，利用光束调控器件，将原来直接照射探针针尖的光束进行入射方向的调整，使光束先照射到探针的悬臂梁表面，经过悬臂梁反射后光束再照射探针尖端。S2：常规的原子力显微镜平台需要在探针表面镀几十纳米厚的金或银金属薄膜，该金属膜可以保证悬臂梁良好的光学反射特性。由于光路系统发生改变，此时的光斑聚焦位置不一定在探针针尖，需要对光束发散角进行控制，使探针在接触到基底表面时光束聚焦到探针尖端(此调整过程可以在原子力显微镜接触模式下进行)，这样，当探针离开表面时，光束聚焦位置也随着悬臂梁反射镜位置的远离而远离针尖和样品，使样品表面的常规聚焦光束作用减弱，远离针尖的局域电磁场作用也减弱，提高探针接触样品时的针尖处的局域电磁场作用。S3：利用光学偏振器件调整聚焦光斑的偏振态，沿探针轴向方向的偏振分量最大以提高针尖局域电磁场的增强效率。在该过程中可以在样品台表面制备单分子薄膜等样品，利用光谱仪实时探针TERS信号以获得最优的系统状态。当进行TERS成像时将原子力显微镜工作模式切换到非接触模式。实施例2：本实施例提供一种提高原子力显微镜TERS信号的装置，如图2所示，所述装置包括：探针1、样品扫描台2、物镜系统3、分光器件5、光束调整系统6、激发光源7、拉曼光谱系统8、原子力显微镜控制系统9；...

【技术保护点】
1.一种提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/nS1：将直接照射探针针尖的光束进行入射方向的调整，使光束先照射到探针的悬臂梁表面，经过悬臂梁反射后光束再照射探针尖端；/nS2：对光束发散角进行控制，使探针在接触到基底表面时光束聚焦到探针尖端；/nS3：调整聚焦光斑的偏振态，使沿探针轴向方向的偏振分量最大，以提高针尖局域电磁场的增强效率。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：将直接照射探针针尖的光束进行入射方向的调整，使光束先照射到探针的悬臂梁表面，经过悬臂梁反射后光束再照射探针尖端；
S2：对光束发散角进行控制，使探针在接触到基底表面时光束聚焦到探针尖端；
S3：调整聚焦光斑的偏振态，使沿探针轴向方向的偏振分量最大，以提高针尖局域电磁场的增强效率。


2.根据权利要求1所述的提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法，其特征在于，在原子力显微镜接触模式下进行步骤S1和S2。


3.根据权利要求1所述的提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法，其特征在于，在执行步骤S1-S3的同时制备单分子薄膜样品，并实时探测分子膜的拉曼信号强度以反馈针尖TERS增强效果，调整光束以实现最高的TERS增强效果。


4.根据权利要求1所述的提高原子力显微镜非接触模式TERS信号的方法，其特征在于，当进行TERS探测或点扫描成像时将原子力显微镜工作模式切换到非接触模式。


5.根据权利要求1所述的提高原子力显微镜非...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈厚凯，张聿全，闵长俊，袁小聪，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44