撰稿|由课题组供稿
最近，华南理工大学物理与光电学院李志远教授领导的团队与北京理工大学物理学院的李家方教授合作，利用高性能的激光直写3D微纳打印技术研制成功了三高（高分辨high resolution、高通光率high throughput、高反衬度high contrast）高性能SNOM探针。团队针对785nm单色激光近场成像，完成了螺旋锥形镀金微纳结构SNOM探针的设计及制造。从光纤耦合输入的785nm激光在SNOM探针尖端的通光率的实验测量值接近10%（理论计算值为接近20%），近场光斑处的光场分布聚焦于探针尖端，反衬度为20dB（理论计算值30-40dB）。团队将探针装配在商业化SNOM设备上，对标准样品铬薄膜上利用电子束刻蚀术制备的一维微纳刻槽光栅和二维SCUT图案进行了近场扫描成像，结果表明该SNOM探针的分辨率最高达到5 nm的水平，因而SNOM探针尖端处的光斑大小约为5 nm，与理论计算结果符合。研究成果以 “3D printing of plasmonic nanofocusing tip enabling high resolution, high throughput and high contrast optical near-field imaging” 为题目发表在国际顶尖学术期刊Light: Science & Applications上。该文章通讯作者为华南理工大学李志远教授，博士研究生龙利、邓秋蓉、黄容涛分别为文章的第一、第二和第三作者。
对微纳尺度上光和原子、分子、二维材料、量子点、金属纳米颗粒、非线性结构、生物大分子、细胞等物质相互作用的时空细节（深亚波长空间尺度和飞秒时间跨度）进行系统和精确的实验研究，可帮助揭示微纳尺度上光和物质相互作用的深层次物理和一系列新现象和新规律。一种历史悠久的无标记超分辨显微成像方法是二十世纪八十年代就出现的扫描近场光学显微镜技术(SNOM)，主要为有孔型SNOM(a-SNOM)(图1(a))。该技术将光学显微术的分辨率突破到了100nm的水平。后来发明了无孔型散射型SNOM(s-SNOM)(图1(b))，经过不断的发展，分辨率突破到了约10-20nm的水平。SNOM的概念和技术与1998年后兴起的金属微纳结构表面等离激元光学的理念和方法结合，诞生了表面等离激元增强的扫描探针显微技术。在各种微纳光子学理念和技术的协助下，10nm量级的光学显微空间分辨率(SNOM和TERS)已经不是一个大障碍了。但是，这些近场扫描探针显微技术均存在一个重大的障碍，即入射照明光被利用于聚焦到针尖微小照明光斑的效率（定义为探针的通光率或者亮度）处于极低的水平，分辨率和通光率这两个显微镜的根本指标是一对矛盾体，“鱼和熊掌不可兼得”。因为这个根本性的缺陷，SNOM很难应用于需要两个优点兼具的生物学和医学的基础研究。实现高分辨、高亮度（即高通光率）的显微成像和光谱检测的一个关键点是大幅度提高SNOM的透光率，同时保持高的空间分辨率。在过去的十几年间，有不少研究团队对此问题进行了理论和实验研究，虽然在近场光学显微成像的某个环节获得了不错的进展，但是在分辨率、透光率、信噪比综合性能的最优化道路上，仍有巨大的可提升的空间。发展新的兼具分辨率、透光率、信噪比综合性能的光学显微成像和光谱分析的方法、技术、工具和仪器设备，对于物理、化学、材料、生物学等学科重大基础科学问题的解决，具有重要的意义。
李志远教授团队在其最新研究工作中利用基于飞秒脉冲激光双光子聚合原理的激光直写3D微纳打印技术（基于德国Nanoscribe公司的第二代激光直写系统），成功地研制了一种三高（高分辨high resolution、高通光率high throughput、高反衬度high contrast）高性能SNOM探针，其集成在光纤端面后形成光纤集成的金螺旋微纳结构探针(图1(c-d))。该探针与李志远教授领导的中科院物理所团队于2014年提出的空心螺旋锥形金属探针的设计方案(Laser Photon. Rev. 8, 602-609 (2014))最大不同的地方是，新探针的核心为实心聚合物、外壳为镀金的螺旋锥形光栅。与2014年的空心探针只有光栅耦合单重SPP激发模式不同，实心探针构型巧妙地实现了棱镜耦合协同光栅耦合的双重SPP激发模式，从而显著地提升了探针的综合性能(图3)。如图2所示，在表面等离激元激发、耦合剂传输物理模型以及FDTD数值模拟计算的指导下，团队针对785nm单色激光近场成像，完成了螺旋锥形镀金微纳结构SNOM探针的设计及制造(图1(h-k))。先在聚合物感光胶里面3D打印出所设计的螺旋形圆锥形实心探针的模板，再利用磁控溅射技术在聚合物探针模板的外表面蒸镀金薄膜，就形成了微纳结构金属探针。该探针采用了新的工作原理，首先入射照明光激发出螺旋形探针内部表面微纳图案的表面等离激元（SPP），然后光场能量通过探针内表面和外表面SPP之间的耦合传输到探针外表面，由于外表面SPP不受金属波导截止效应约束，光场能量可以沿探针表面向针尖处传输，最后，SPP光场在针尖处聚焦，形成几十乃至几个纳米量级的近场热点。数值模拟计算表明，该螺旋形图案新型探针由于没有任何的空间对称性（如左右镜面对称），对任意偏振态（线偏振、圆偏振、矢量偏振等等）的入射照明光均能够实现SPP的激发、耦合和聚焦，在针尖尖端处形成深亚波长的近场扫描照明光斑。利用远场高倍光学显微镜对探针透光情况进行仔细观察，对光场分布及通光率进行了定量的测量表征，结果表明从光纤耦合输入的785nm激光只能从SNOM探针的尖端出发射输出（图1(f-g)视野处只有一个干净的小光斑），其通光率的实验测量值接近10%（理论计算值为接近20%），近场光斑处的光场分布聚焦于探针尖端，反衬度为20dB（理论计算值30-40dB）。由于光学显微镜的衍射分辨率极限，其不能揭示近场光斑的真实尺寸大小。为此，团队将探针装配在商业化SNOM设备上(图4(a))，对标准样品铬薄膜上利用电子束刻蚀术制备的一维微纳刻槽光栅(图4)和二维SCUT图案(图5)进行了近场扫描成像，结果表明该SNOM探针的分辨率最高达到5 nm的水平，因而SNOM探针尖端处的光斑大小约为5 nm，与理论计算结果符合。数值模拟计算还表明，所设计的SNOM探针其工作带宽接近50 nm，原则上可以支持50-100fs钛宝石脉冲激光的传输。
这项工作最大的创新在于研制了一种兼具高分辨(5nm)、高通光率(10%)、高反衬度(20dB)的高性能SNOM探针，同时实现了分辨率和通光率这两个显微镜的根本指标，表明通过创造性思维，“鱼和熊掌兼得”。以该SNOM探针的纳米光斑作为照明光源，有望清晰地测量和分析单分子等微纳物质的物理、化学和生物学特性。另外，该探针和飞秒脉冲激光耦合，将成为构建高时空分辨的显微成像和光谱测量、表征和分析的实验技术和仪器设备的核心部件，使之成为深入研究微纳尺度光和物质相互作用、探索多物理场相互作用的理想工具。利用这样的高时空分辨近场光学显微成像和光谱分析仪器系统，有望对微纳尺度上光和分子、二维材料、半导体量子点、生物大分子、生物细胞等物质相互作用的时空细节（深亚波长空间尺度和飞秒时间跨度）开展系统和精确的实验研究，揭示微纳尺度上光和物质相互作用的深层次物理、化学和生物学一系列新现象和新规律，为物理、化学、材料科学和生命科学等领域的若干重要前沿基础科学问题提供强有力的高时空分辨光学表征工具。
图一 SNOM近场成像等离子纳米聚焦探针的设计与制备原理。
图1. (a)经典的孔径型探针和(b)散射型探针操控原理；(c)团队研发的新概念探针。该镀金螺旋光栅锥形探针的工作原理是通过SPP激发、传输、压缩、干涉和纳米聚焦实现在尖端形成高分辨率、高通量和高对比度的近场成像光源；(d)内部照明模式下，建立在光纤端面上高性能的等离子体纳米聚焦SNOM锥形探针；(e)SNOM探针的光学显微镜俯视图，外部虚线表示光纤边缘，内部虚线区域表示中心锥尖的位置；(f, g)在暗场显微镜物镜下，探针在785nm处从尖端发出的纳米聚焦光斑的俯视图和侧视图；(h-k)制备的螺旋光栅锥形探针在不同尺度下的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图二 一维光栅SPPs耦合器件简化设计模型
图2.(a)螺旋光栅探针在yz截面的示意图；(b)对应于(a)虚线框中的光栅结构一维放大图；(c)计算光栅结构在不同入射角和入射波长下的吸收率；(d)入射光波长为785 nm时，计算出不同入射角下的透射率和反射率；(e-g)对应于(d)中的A(θ=22°,λ=785nm)、B(θ=43°,λ=785nm)和C(θ=70°,λ=785nm)三个点的一维光栅结构的电磁场强度分布的模拟结果。
图三 CCD相机观察到的三个探针样品的示意图和模场轮廓图
图3. (a)平切光纤；(b)空心螺旋锥探针光纤；(c)实心螺旋锥探针光纤；(d-e)三个样本的沿两个交叉虚线的模场分布的一维曲线，其中白色虚线沿X方向，红色虚线沿Y方向。
图四 对铬薄膜刻蚀标准光栅进行近场成像来表征自制SNOM探针的分辨率
图4. (a) SNOM成像的实验装置和(b) SNOM探针和样品的放大区域；(c) 60nm厚的铬薄膜刻蚀标准光栅样品的扫描电子显微镜（SEM）图像（上图），以及沿SEM图像中标记的虚线绘制的一维放大图像，其中周期为510nm，狭缝宽度为83nm；(d)标准铬光栅样品的二维SNOM近场成像图；(e)沿图(d)中标记的白色虚线进行扫描的一维SNOM近场成像曲线；(f)表示图(e)中蓝色阴影区域的放大区域的一维曲线，显示分辨率约为5.7nm。
图五 对铬薄膜刻蚀二维字母的样品进行近场成像来表征自制SNOM探针的分辨率
图5. (a) 80nm厚的铬薄膜刻蚀“SCUT”图案样品的扫描电子显微镜（SEM）图像；(b)标准“SCUT”样品的SNOM近场成像图；(c)刻有字母“S”的AFM高度图像；(d)沿图(c) AFM图像中标记的白色虚线R1和R2拍摄的一维轮廓；(e-f)沿图(b)中标记的白色虚线L1和L2扫描的一维近场成像曲线。
李志远，博士生导师，国家杰青，华南理工大学物理与光电学院副院长，广东省珠江人才计划双创团队负责人。研究领域涵盖微纳光子学（包括光子晶体、近场光学、光学超材料和超表面、等离激元光学等领域）、光镊技术、非线性光学、激光技术、拓扑光子学、纳米显微成像、微纳尺度光物理和量子光学、基础电磁学理论和基础量子物理理论等。至今已在SCI收录的物理学、化学、光学和材料科学期刊上发表论文480篇，其中包括PRL, Chem. Soc. Rev., Science Adv., JACS, Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Light: Sci. & Appl.等高水平期刊论文130多篇。被SCI引用30000次以上，H-index为82，2014、2018年入选全球高被引科学家，2016-2022年入选爱思唯尔中国高被引科学家。
文章链接
Li Long, Qiurong Deng, Rongtao Huang, Jiafang Li and Zhi-Yuan Li*, 3D printing of plasmonic nanofocusing tip enabling high resolution, high throughput and high contrast optical near-field imaging. Light: Science & Applications 12, 219 (2023).
DOI: 10.1038/s41377-023-01272-6
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
