全新代納米光譜與成像系統neaSCOPE實現10nm高分辨光譜和成像

、 neaspec推出全新代納米光譜與成像系統neaSCOPE系列產品

    近期，納米顯微鏡域制造商neaspec推出了納米光學顯微鏡neaSCOPE全新代系列產品，加載了全新技術，拓展了產品功能，以滿足客戶多樣的實驗需求。neaSCOPE是基于針尖增強的納米成像和光譜，以應用為目的，滿足客戶在科學，工程和工業研究等不同域的科研需求。由于其高度的可靠性和可重復性，neaSCOPE已成為納米光學域熱點研究方向的·選科研設備，在等離子激元、二維材料聲子化、半導體載流子濃度分布、生物材料紅外表征、電子激發及衰減過程等眾多研究方向得到了許多重要科研成果。

neaSCOPE技術點和勢包括：

? 行業·的針尖增強技術，高質量的納米分析實驗數據。

? 采用模塊化設計，針對用戶的實驗需求量身定制配置，同時兼顧未來的升需求，無需重復購置主機。

? 軟件使用方便，提供交互式用戶引導功能，讓新用戶也能快速上手。流程化的軟件界面，逐步引導用戶輕松完成實驗操作。

? 功能多樣、可靠性高，已得到大量發表文章的印證，在納米光學域有很深的影響力，是國內外實驗室的頭號選擇。

二、neaSCOPE全新代產品型號

IR-neaSCOPE：基于AFM 針尖的激光誘導光熱膨脹的納米紅外成像和光譜。

    IR-neaSCOPE可測量納米紅外吸收譜。該設備用AFM-IR機械信號來檢測樣品中激光誘導的光熱膨脹。IR-neaSCOPE無需紅外探測器和光學干涉儀，為熱膨脹系數大的樣品（如聚合物、生物材料等）提供了種經濟高效的納米紅外成像及光譜研究的解決方案。IR-neaSCOPE提供紅外吸收成像，點光譜和高光譜成像，并可升到IR-neaSCOPE+s，拓展更多功能，實現更多種類材料的研究。

? 將樣品的光學與機械性質有效地去耦，實現無偽影的吸收測量。

? 將激光精確地聚焦在探針上，實現化條件下對樣品的無損表征。

? 互動式軟件界面，幫助新用戶直接上手，獲取高質量數據。

IR-neaSCOPE^+s：探測商用AFM針尖的彈性散射光，實現納米紅外成像和光譜。

    IR-neaSCOPE^+s能實現10 nm空間分辨率的化學分析和電磁場成像。該設備用進的近場光學顯微鏡技術來測量紅外吸收和反射率，以及局部電磁場的振幅和相位。設備支持紅外納米成像、點光譜、高光譜、以及納米 FTIR，可使用CW照明源，寬波激光器，以及同步輻射源。IR-neaSCOPE^+s在有機和無機材料分析方面具有廣泛的應用案例以及殊的近場表征手段，如定量s-SNOM或亞表面分析。

? 同時探測樣品吸收和反射，適用于各類型材料。

? 快速可靠的s-SNOM成像和光譜系統，在不影響數據質量的情況下實現高效數據產出。

? 結合多光路設計和多項·技術，實現大量選配功能（納米 FTIR、透射、底部照明、光電流等）。

...…

VIS-neaSCOPE^+s：局部電磁場偏振分辨的近場成像（振幅和相位）。

    VIS-neaSCOPE^+s化了可見光波長范圍內的振幅和相位的矢量場成像。用·流的s-SNOM技術實現對等離子體納米結構和波導結構的近場成像和光譜研究。VIS-neaSCOPE^+s提供靈活的光路配置，能夠進行偏振測量、側面和底部照明。同時支持升納米FTIR 和TERS功能。

? 檢測局域電磁場的振幅和相位，實現對波衰減、模場和色散的全面表征。

? 無背景檢測技術和穩定的無像差對焦，保證在可見光全波數范圍內的實驗結果。

? 靈活的光路選配，可將光源聚焦到樣品或探針上，適用于等離子體不同的研究方向。

THz-neaSCOPE^+s：納米尺度太赫茲 （THz） 近場成像和光譜多功能平臺。

    THz-neaSCOPE^+s可在納米尺度上實現太赫茲成像和光譜。該設備基于*集成的緊湊型 THz-TDS 系統，可直接用于半導體納米結構、二維納米材料和新型復合材料系統的電導率研究。THz-neaSCOPE^+s同時支持用戶自由耦合太赫茲和亞太赫茲源，并集成了市面上SPM儀器中秀的軟件界面，是強大的納米太赫茲分析儀器。

? 全反射光路，大程度上兼容寬波和單波太赫茲源，覆蓋全部光譜范圍。

? 模塊化設計和多光束路徑設計，支持多種分析功能，包括光電流、泵浦以及納米FTIR。

? 基于THz-TDS 技術，實現緊湊且*集成的太赫茲納米光譜。

IR-neaSCOPE^+fs：10 fs 時間分辨率和 10 nm 空間分辨率的超快泵浦光譜。

    IR-neaSCOPE^+fs實現了泵浦光譜空間分辨率的突破。設備基于納米FTIR 的fs激光系統，提供*集成的硬件和軟件系統，實現納米的時間動態研究。該系統具備·有的雙光路設計、無色散光學元件、以及可選配的SDK，兼容各種泵浦激光器，使用成熟的高功率實驗配置進行突破性的超快研究。

? *集成的系統，幫助用戶免于復雜的設備調試，注于研究本身。

? 無芯片的光學元件進行光聚焦和收集達到大時間分辨率。

? 靈活的硬件和軟件界面，可根據客戶實驗需求定制。

IR-neaSCOPE^+TERs：nano-FTIR與nano-PL和TERS相結合，突破性的納米尺度光譜探測技術。

    IR-neaSCOPE^+TERs將納米FTIR與針尖增強拉曼TERS和光致發光（PL）光譜相結合，在同顯微鏡內用彈性和非彈性散射光同時進行表征。該系統通過簡單的光路校準可實現互補的紅外光和可見光散射，可使用商用鍍金的AFM探針進行穩定的納米拉曼和PL表征。

? 模塊化設計和多光路設計，實現AFM探針在同位置的納米FTIR和納米拉曼/PL光譜。

? 通過簡單的光路校準收集AFM探針針尖的強彈性散射光。

? 使用商用AFM探針獲得大 TERS 信號。

? 化的軟件數據收集處理，在同用戶界面進行所有測量。

cryo-neaSCOPE^+xs：超低溫環境納米光學成像和光譜。

    cryo-neaSCOPE^+xs可在·端低溫下實現近場光學納米成像和納米光譜。該設備可獲得高質量的近場信號，且支持可見光、紅外光、以及太赫茲源。因此，該系統可實現10 K以下不同能相關的研究。cryo-neaSCOPE^+xs 基于全自動干式低溫恒溫器，無需液氦。該系統同時具備共聚焦以及接電功能，以實現低溫條件下的多功能研究。

? ·流的s-SNOM和納米FTIR技術，實現低溫下納米光學分析，溫度低至<10K。

? 使用neaspec 照明和檢測模塊，兼容紅外到太赫茲光源，應用域廣泛。

? 使用全自動閉式循環高真空干式低溫恒溫器，降溫速度快，使用成本低。

三、背景簡介

    neaspec創立于2007年，起源于德國馬克斯普朗克研究所，因其在納米分析域的系列突破性技術而受到廣泛關注。neaspec和Quantum Design結為全球戰略合作伙伴，并于2013年·次引入中國。產品經過多次升換代，設備的各方面性能均已達到高度化。目前在國內的用戶包括清華大學、北京大學、中國科學技術大學、中山大學、中科院諸研究所等高校和研究所。此次升使得系統在軟件用戶交互性、模塊化、后續升兼容性方面具有更大的提升。

四、應用案例

1. Nature: 雙層旋轉的范德瓦爾斯材料中的拓撲化激元和光學魔角 相關產品：IR-neaSCOPE^+s

    2018年W. Ma等在Nature報道了范德瓦爾斯材料α-MoO3 中的面內雙曲聲子化激元的重要發現。2020年6月，G.W. Hu等在此基礎上通過理論預測并在實驗上證實了雙層旋轉范德瓦爾斯材料α-MoO3體系，可以實現由轉角控制的聲子化激元從雙曲到橢圓能帶間的拓撲變換。在這個變換角附近，光學能帶變成平帶，從而實現激元的直線無衍射傳播。類比于雙層旋轉石墨烯中的電子在費米面的平帶，作者因此將這轉角命名為光學魔角。

    研究中作者采用散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）對雙層α-MoO3 旋轉體系進行掃描測試。實驗結果顯示，在接近魔角時，光學能帶變平，聲子化激元沿直線無衍射傳播。此外，通過測試不同轉角的雙層體系，作者成功觀測到在不同頻段大幅可調的低損耗拓撲轉換和光學魔角。這重要發現奠定了“轉角光子學”的基礎，為光學能帶調制、納米光精確操控和超低損耗量子光學開辟了新的途徑，同時也衍生出“轉角化激元”這重要分支研究方向，為進步發展“轉角聲學”或“轉角微波系統”提供了重要的線索和啟發。（引自：中國光學-公眾號，2020年6月11日《Nature：光學魔角！二維材料轉角遇見光》）

    【參考】 Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO₃ bilayers. Nature, 2020, 582, 209-213.

2. Nature: 天然雙曲材料的聲子化研究 相關產品：IR-neaSCOPE^+s

    W. Ma在自然材料體系（α-MoO₃）中觀察到在平面內各項異性傳播的聲子化激元，包括傳播速度不同的平面橢圓型和單向傳播的平面雙曲型聲子化激元；并發現了在α-MoO₃中支持的聲子化激元具有低的損耗。實驗發現，α相三氧化鉬在兩個光譜范圍內存在兩個剩余射線帶，聲子化激元的傳播行為在兩個剩余射線帶內表現出不同的性質。在低剩余射線帶內，α相三氧化鉬可以在中紅外波段支持雙曲型聲子化激元，也就是說聲子化激元僅沿個方向傳播([001]方向)，在垂直方向[100]的傳播*被抑制，這種化激元有多種·具吸引力的秀性質，它具有·強的場局域性，可以支持厚度可調節的波導模式，并且損耗低。而在另外個剩余射線帶內,α相三氧化鉬在中紅外波段支持橢圓型聲子化激元,化激元沿著[001]和垂直方向[100]以不同的波長進行傳播，這種化激元傳播壽命高達約8 ±1 ps，遠高于目前已知的高壽命。研究進步促進了光學器件的微型化和多元的調制性，并且再次證明自然材料中仍然具有無窮的挖掘潛力。

    【參考】 In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal. Nature, 2018, 562, 557–562.

3. 納米空間分辨超快光譜和成像系統在范德瓦爾斯半導體研究中的應用 相關產品：IR-neaSCOPE^+fs

    近年來，范德瓦爾斯（vdW）材料中的表面化激元(SP)研究，例如等離化激元、聲子化激元、激子化激元以及其他形式化激元等，受到了廣大科研工作者的關注，成為了低維材料域納米光學研究的熱點。其中，范德瓦爾斯原子層狀晶體存在*的激子化激元，可誘導可見光到太赫茲廣闊電磁頻譜范圍內的光學波導。同時，具有較強的激子共振可以實現非熱刺激（包括靜電門控和光激發）的光波導調控。

    2020年7月，美國哥倫比亞大學Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上發表了題為：“Femtosecond exciton dynamics in WSe₂ optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦爾斯半導體中的WSe₂材料為例，用德國neaspec公司的納米空間分辨超快光譜和成像系統，通過飛秒激光激發研究了WSe₂材料中光波導在空間和時間中的電場分布，并成功提取了飛秒光激發后光學常數的時間演化關系。同時，研究者也通過監視波導模式的相速度，探測了WSe₂材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光學斯塔克（Stark）位移。

    【參考】 Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications, 11, 3567 (2020)

4. ACS Nano：光致發光、拉曼、近場光學同步測量技術揭示二維合金材料新性 相關產品：IR-neaSCOPE^+TERs

    單層異質結構的應用潛力直接受到材料內在和外在的缺陷影響。喬治亞大學的研究人員在Abate教授的帶下，用neaSNOM散射式近場光學顯微鏡，研究了二維（2D）單層合金光致氧化過程中納米尺度下的奇異界面現象。他們發現界面張力可以通過建立穩定的局部勢阱來集中本征激子，從而實現*的熱穩定性和光降解穩定性。該實驗結果由neaspec公司*的nano-PL / Raman和s-SNOM同步測量技術所采集，并已發表在ACS NANO中。

    在實驗中，作者合成了由單層面內MoS₂-WS₂異質結構制成的2D納米晶體，這些晶體在富Mo的內部區域和富W的外部區域間，顯示出了較強的納米合金界面。在針尖增強照明刺激下（>100天），作者進步觀察到，光降解過程中界面的激子穩定性、局域性和不均勻性。得益于高度敏感的s-SNOM成像技術，作者探測到富W的外部區域的反射率出現急劇下降。該反射率始于晶體邊緣，并隨時間向內傳播。

    在同樣品區域獲得的高光譜納米光致發光（nano-PL）圖像顯示，W氧化相關的激子的猝滅會遵循與s-SNOM相同的模式（在邊緣開始并向內傳播）。值得注意的是，合金界面的內部區域表現出了強大的抗氧化能力。即使在光降解100天后，它仍具有很強的s-SNOM信噪比和未淬滅的nano-PL信號。

    為了進步研究結構變化，作者使用nano-PL進行了增強拉曼高光譜納米成像測量，并在同掃描區域的每個像素處獲取了空間和光譜信息。實驗結果表明，在整個晶體的光降解過程中，WS₂拉曼峰逐漸消失，而在內部區域中的MoS₂仍然存在。該結果表明在相同的環境條件、同顯微鏡下測量相同的晶體，由于熱誘導的合金和基底晶格常數的不匹配，導致光氧化與局部應變存在定的關聯。而合金界面可防止該應變傳播到內部區域，從而防止其降解。

    【參考】 Photodegradation Protection in 2D In-Plane Heterostructures Revealed by Hyperspectral Nanoimaging: The Role of Nanointerface 2D Alloys. ACS Nano 2021, 15, 2, 2447–2457.

5. Cryo-SNOM低溫近場在氧化物界面的新應用 相關產品：cryo-neaSCOPE^+xs

    氧化物界面處的二維電子體系（2DES）做為個*的平臺，將典型復合氧化物、強電子相關的物理性以及由2DES有限厚度引起的量子限域集成于體。這些*的性質使其在電子態對稱性、載流子的有效質量和其它物理性方面與普通半導體異質結截然不同，可以產生不同于以往的新現象。然而氧化物界面多掩埋于物質間使其難以探測，為探究其局限2DES需要個無創并且具有很高空間分辨率的表征技術，如果還能提供個較寬范圍內溫度變化的平臺將大地推進該域的研究。通常光學顯微鏡可用于上述研究，其中，遠場的探測技術由于受到波長和衍射限的限制缺乏空間分辨率，而紅外波段的光束探測傳導電子的Drude反應分辨率僅有幾個微米的量，無法滿足測試需求，而用散射式近場光學顯微鏡(s-SNOM)可以克服這限制，使其具有10-20 nm的空間分辨率并獲得光響應信號中的強度和相位信息。

    近期，Alexey B. Kuzmenko團隊在Nat. Commun.上獲得新進展，他們用s-SNOM來研究從室溫下降到6K時LaAlO₃/SrTiO₃界面的變化情況，從近場光學信號，別是其中的相位分量信息可以看出對于界面處的電子系統的輸運性質具有其高的光學敏感度。這模型說明了2DES敏感性來源于AFM針尖和耦合離子聲子模型在很小穿透深度下的相互作用，并且該模型可以定量地將光信號的變化與冷卻和靜電選通控引起的2DES傳輸性的變化相關聯，從而提供操控光學信息的有效手段。從用s-SNOM得到的實驗結果和建立的模型結果來看，二者之間具有很好的擬合，這結果說明了電子聲子相互作用對于在零動量時的表面聲子離子模型的散射化吸收具有至關重要的作用。

    【參考】 High sensitivity variable-temperature infrared nanoscopy of conducting oxide interfaces. Nature Communications 2019, 10, 2774.

6. Science：近場太赫茲光電流-石墨烯等離子體在近費米速度傳播下的非局域量子效應 相關產品：THz-neaSCOPE^+s

    西班牙光子科學研究所（ICFO）的 Marco Polini教授和Frank H. L.Koppens教授在《Science》上發表了題為：Tuning quantum nonlocal effects in graphene plasmonics的文章。

    在本篇文章中，研究者用散射式近場光學手段，對石墨烯-(h-NB)-金屬復合體系表面進行了納米尺度下的精細掃描，由此觀測到了太赫茲波段下的石墨烯等離子體以近費米速度進行傳播。研究發現，在慢的速度（數百倍低于光速）下，石墨烯等離子的非局域響應得以探測，通過近場成像能夠以無參數匹配手段清晰地揭示無質量的Dirac電子氣體的量子描述，進而展示了三種類型的非局域量子效應，即單粒子速率匹配，相互增強費米速率和相互減弱壓縮性。通過該近場光學的研究方法，研究者終提供了確定電子體系的全時空反應的新途徑。

    【參考】 Tuning quantum nonlocal effects in graphene plasmonics. Science 2017, 357, 187.

五、部分發表文章

[1]. Nature (2021) 596, 362

[2]. Science (2021) 371, 617

[3]. Nature Physics (2021) 17, 1162

[4]. Nature Phot. (2021) 15, 594

[5]. Nature Chem. (2021) 13, 730

[6]. Nature (2020) 582, 209

[7]. Nature Phot. (2020) 15, 197

[8]. Nature Nanotech. (2020) 15, 941

[9]. Nature Mater. (2020) 19, 1307

[10]. Nature Mater. (2020) 19, 964

[11]. Nature Phys. (2020) 16, 631

[12]. Nature (2018) 562, 557

[13]. Nature (2018) 359, 892

[14]. Science (2018) 362, 1153

[15]. Science (2018) 361, 6406

[16]. Science (2018) 359, 892

[17]. Science (2017) 357, 187

[18]. Science (2014) 344, 1369

[19]. Science (2014) 343, 1125

相關產品：

1、太赫茲近場光學顯微鏡

https://www.chem17.com/st166724/product_30304328.html

2.超高分辨散射式近場光學顯微鏡

https://www.chem17.com/st166724/product_16839040.html