小型一体式TERS仪器光学系统

发布时间：2020-08-28 02:34

【摘要】：针尖增强拉曼光谱(Tip-enhanced Raman Spectroscopy,TERS)巧妙地结合了扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)和表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS),通过极尖锐的探针将包含样品表面精细结构信息的近场信号散射到远场接收,并利用在针尖附近形成的极大的局域电磁场增强,获得了突破衍射极限的高空间分辨率和高检测灵敏度的光谱信号;通过逐点扫描实现了表征物体表面形状特点的形貌图与表征分子结构信息的拉曼光谱图在空间上的对应指认。TERS技术的这些优点使其在生物检测、纳米材料和表面科学等领域受到广泛关注并表现出巨大的发展潜力。然而目前大多数商用TERS仪器和实验室自制的TERS测试系统存在着结构复杂、协调性差、光效率低、稳定性不足、体积庞大及成本高等缺点,限制了 TERS技术的广泛应用。因此,研制一种高灵敏度、高空间分辨率和高度协调的小型一体式的TERS仪器具有重要的研究意义和广阔的应用前景。本文从发展仪器的角度出发,设计了一套针对小型一体式TERS仪器的光学系统。主要的创新工作在于TERS仪器光学系统的集成化和小型化,通过采取一系列行之有效的措施解决在小型化过程中面临的检测灵敏度及光谱分辨率下降的问题。通过精简光学元件、缩短光路、将激发与收集光路和拉曼光谱仪光路直接耦合提高光学系统的光通量;通过改进拉曼光谱仪结构,优化各部分光路布局使整个光学系统结构紧凑合理;通过引入白光照明与显微成像光路使激光焦点、白光照明点以及信号收集点三者严格共焦,实现激光焦点、针尖与样品的精确耦合;通过改良实验方法减少远场背景噪声,提高TERS仪器的信噪比。该光学设备结构紧凑,有利于现场实时分析,并且具有较高的检测灵敏度和光谱分辨率。光学系统与商用STM针尖扫描头构成侧向激发与收集模式TERS测试系统,测得了 4-PBT(4'-(pyridine-4-yl)-bipheny l-4-yl)methanethiol)分子的TERS信号。下一步,该光学系统将与自行研制的专用STM扫描头和协同控制电路组成一台小型一体式的TERS仪器,从而推动TERS技术走向实际应用。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74
【图文】：

收集方式,无孔,近场,远场

■逦澛ａ邋秤口口逡逑图１－３侧向照明方式示意图逡逑扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）由Ｂｉｎｉｎｇ等人于１９８１年发明，它使人类第一次能够逡逑实时地观察单个原子在物质表面的排列状态。ＳＴＭ利用隧道电流与针尖－样品间逡逑距成指数关系的原理来获得样品表面的形貌图，ＳＴＭ有两种工作方式：一种是逡逑恒电流模式，在进行样品扫描时，针尖随着样品表面的起伏上下移动，使针尖与逡逑样品之间的距离始终保持不变，即隧道电流恒定，通过探测针尖高度的变化便可逡逑以获得样品表面的形貌图；另一种是恒高模式，在进行样品扫描时针尖的高度始逡逑７逡逑

照明方式,扫描隧道显微镜,人类,侧向

ｗ逡逑ＶｌV激发光逡逑Ａ邋＾散射光＾邋ａ邋样品逡逑图１－２近场照射远场收集方式示意图逡逑无孔金属探针逡逑激发光逡逑显微物１逡逑Ｗ邋＼逡逑ｆ逡逑？：凑逡逑散射光逡逑逦■逦澛ａ邋秤口口逡逑图１－３侧向照明方式示意图逡逑扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）由Ｂｉｎｉｎｇ等人于１９８１年发明，它使人类第一次能够逡逑实时地观察单个原子在物质表面的排列状态。ＳＴＭ利用隧道电流与针尖－样品间逡逑距成指数关系的原理来获得样品表面的形貌图，ＳＴＭ有两种工作方式：一种是逡逑恒电流模式，在进行样品扫描时，针尖随着样品表面的起伏上下移动，使针尖与逡逑样品之间的距离始终保持不变，即隧道电流恒定，通过探测针尖高度的变化便可逡逑以获得样品表面的形貌图；另一种是恒高模式，在进行样品扫描时针尖的高度始逡逑７逡逑

表面形貌,热点,针尖,衬底

效应、避雷针效应以及基底镜像效应［５９，６（）］。ＴＥＲＳ测量过程中，尖锐针尖被精确逡逑地控制在距样品表面ｌｎｍ附近区域，入射激光以恰当的偏振状态和入射角度聚逡逑焦在针尖与样品之间（如图１－４所示），此时针尖可以视作一个具有极高功率密度逡逑的局域纳米光源，使针尖正下方纳米尺度空间内样品的拉曼信号得到极大地增强，逡逑并将该增强的拉曼信号散射到远场由显微物镜收集和光谱仪探测。ＴＥＲＳ在采谱逡逑的同时通过移动针尖或样品获得样品的表面形貌图，使表征物质结构分布的拉曼逡逑光谱成像与显示表面高低起伏的形貌像在空间上实现对应指认［５２，５８］，从而实现逡逑８逡逑Ｉ逡逑

【参考文献】