紅外熱成像技術(shù)通過探測物體自身所發(fā)出來的遠(yuǎn)場紅外輻射從而感知表面溫度，在軍事、民航、安防監(jiān)控及工業(yè)制造等重要領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但由于光學(xué)衍射極限的限制，紅外熱成像的分辨率通常在微米尺度及以上，因此無法用于觀測納米尺度的物體。近幾年，我們開發(fā)了紅外被動近場顯微成像技術(shù)，通過探測物體表面的近場輻射從而極大地突破紅外衍射極限限制，將紅外溫度探測及成像從傳統(tǒng)的微米尺度拓展到了納米尺度。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室的科研團(tuán)隊在《紅外與毫米波學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“紅外近場輻射探測及超分辨溫度成像”為主題的文章。該文章第一作者為朱曉艷，主要從事紅外被動近場成像方面的研究工作。

本文將圍繞掃描噪聲顯微鏡（SNoiM）技術(shù)的實驗原理及其應(yīng)用，詳細(xì)介紹如何通過自主研制的紅外被動近場顯微鏡，突破紅外熱成像的衍射極限限制，實現(xiàn)納米級紅外溫度成像。

近場輻射

我們首先從黑體輻射的本源入手。如圖1（a）所示，絕大多數(shù)物體內(nèi)部都包含大量帶正電荷和負(fù)電荷的粒子，這些帶電粒子永遠(yuǎn)不會靜止不動，而是一直處于隨機擾動狀態(tài)（熱運動）。我們所熟知的熱輻射就源自物體內(nèi)部的這種帶電粒子熱運動，輻射特征可由普朗克黑體輻射定律描述。但鮮為人知地是，物體內(nèi)的電荷擾動不僅在距離物體輻射波長尺度以外的區(qū)域產(chǎn)生紅外熱輻射（遠(yuǎn)場輻射），而且在物體近表面處會生成一種能量密度極高的表面擾動電磁波（以倏逝波形式存在），可稱之為近場輻射。理論很早就預(yù)言了這種表面電磁波（近場輻射）的存在，并發(fā)現(xiàn)針對遠(yuǎn)場輻射所建立的認(rèn)知及規(guī)律（如普朗克輻射定律等）將不再適用于近場輻射，但相關(guān)實驗研究由于探測難度極高而一直未有明顯突破。2009年，美國麻省理工學(xué)院和法國CNRS的研究組取得重要進(jìn)展，先后在實驗上驗證了納米尺度下近場輻射熱傳輸效率可遠(yuǎn)超黑體輻射極限。盡管該實驗驗證了物體表面近場倏逝波的存在，但相關(guān)物理現(xiàn)象仍然缺少更直接的實驗手段對其進(jìn)行更進(jìn)一步地研究。

圖1（a）物體表面存在的遠(yuǎn)場輻射及近場輻射；探針調(diào)制技術(shù)：（b）當(dāng)探針遠(yuǎn)離樣品時不會散射物體表面的近場倏逝波、（c）當(dāng)探針靠近物體近表面時可以散射近場倏逝波；（d）紅外被動近場顯微鏡（SNoiM）的示意圖

紅外被動近場顯微鏡（SNoiM）的實驗原理及其應(yīng)用

SNoiM技術(shù)的實驗原理

物體表面的近場輻射由于其倏逝波特性（即強度隨著遠(yuǎn)離物體表面急劇衰退）而難以探測。在SNoiM中，利用掃描探針技術(shù)有效地解決了這一問題。如圖1（b）所示，當(dāng)不引入納米探針（或探針遠(yuǎn)離物體表面）時，物體近表面的近場倏逝波無法被探測，該顯微鏡工作于傳統(tǒng)紅外熱成像模式，即僅獲得其遠(yuǎn)場輻射信號。SNoiM技術(shù)的關(guān)鍵是，將探針靠近樣品近表面（比如10 nm以內(nèi)），近場倏逝波可以被針尖有效散射出來。該探測模式下，探測器所獲取的樣品信號中同時存在近場和遠(yuǎn)場分量。因此，通過控制探針至物體表面的間距h，即可獲得近場、遠(yuǎn)場混合信號（h < 100 nm，稱為近場模式）或單一的遠(yuǎn)場信號（h >> 100 nm或撤去探針，稱為遠(yuǎn)場模式）。最終，利用探針高度調(diào)制及解調(diào)技術(shù)即可從遠(yuǎn)場背景中提取物體的近場信息。

圖1（d）展示了SNoiM系統(tǒng)探測近場信號的示意圖。探針?biāo)⑸涞慕鼒鲂盘柺紫扔梢粋€高數(shù)值孔徑的紅外物鏡進(jìn)行收集。但在該過程中，無法消除來自環(huán)境、被測物體及儀器自身的遠(yuǎn)場輻射信號，它們隨近場信號一同被紅外物鏡收集，導(dǎo)致被測物體微弱的近場信號湮沒于巨大的遠(yuǎn)場背景輻射之中。為了最大程度降低遠(yuǎn)場背景信號，研究人員在紅外物鏡上方設(shè)計了一個孔徑極小的共焦孔（約100 μm），通過此共焦結(jié)構(gòu)可以縮小收集光斑，有效抑制背景輻射信號。然而，即使是這樣，是否有足夠靈敏的紅外探測器能夠檢測到納米探針?biāo)⑸涞奈⑷踅鼒鲂盘栆彩且淮箅y點。為此，本團(tuán)隊研發(fā)了一款超高靈敏度紅外探測器，攻克了這一技術(shù)壁壘。

圖2（a）展示了首套SNoiM設(shè)備實物圖。其中，金色圓柱腔體為低溫杜瓦，內(nèi)部搭載了自主研制的超高靈敏度紅外探測器（CSIP）及一些低溫光學(xué)組件；白色方框內(nèi)為實驗室內(nèi)組裝的基于音叉的原子力顯微鏡（AFM）、紅外收集物鏡及樣品臺區(qū)域，具體細(xì)節(jié)參照圖2（b）、（c）。紅外近場圖像的空間分辨率不再受探測波長限制，而是由探針尖端尺寸決定。如圖2（b）中插圖所示，通過電化學(xué)腐蝕方法，可制備出形貌優(yōu)良的金屬（鎢）納米探針，其中，針尖直徑可小至100 nm以內(nèi)。

圖2（a）紅外被動近場顯微鏡SNoiM的實物圖，其中搭載了超高靈敏度紅外探測器；（b）AFM及紅外收集物鏡；插圖為通過電化學(xué)腐蝕制備的金屬（鎢）納米探針；（c）探針與樣品的顯微照片

基于SNoiM的超分辨紅外成像研究

利用SNoiM技術(shù)探測物體表面的近場輻射可極大突破紅外衍射極限，實現(xiàn)超分辨紅外成像。首先以亞波長金屬結(jié)構(gòu)的成像結(jié)果為例進(jìn)行展示。圖3（a）為Au薄膜樣品在普通光學(xué)顯微鏡下所拍攝的圖像。其中，亮金色區(qū)域為Au薄膜（約50 nm厚），其他區(qū)域為SiO?襯底。使用SNoiM系統(tǒng)可同時獲取該樣品的遠(yuǎn)場和近場紅外圖像（獲取遠(yuǎn)場圖像時只需將探針挪離樣品表面）。如圖3（b）所示，由于成像波長較長（~ 14 μm），遠(yuǎn)場紅外圖像的分辨率遠(yuǎn)不如普通光學(xué)顯微圖像。比如，Au與襯底（SiO?）的邊界無法清晰區(qū)分以及中間細(xì)小金屬條狀結(jié)構(gòu)無法識別等（圖中黑色虛線所示）。然而，在相同探測波長下，如圖3（c）所示的近場紅外圖像則展現(xiàn)了超高的空間分辨率，其圖像清晰度可完全與普通光學(xué)顯微鏡所獲取的圖像相比擬。為了進(jìn)一步理清上述三種顯微成像技術(shù)的區(qū)別，圖3示意圖中給出了探測到的信號來源：對于光學(xué)顯微圖像，其信號來自于可見光的反射。由于金屬的反射能力較強，因而Au上的信號遠(yuǎn)比SiO?強?？梢姽獠ㄩL范圍為400~760 nm，因而光學(xué)顯微鏡可清晰分辨該樣品表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)場紅外成像不依賴于外界光源照射，直接通過紅外物鏡收集物體自身所發(fā)射出來的輻射信號，并對其進(jìn)行成像。在探測波長為14 μm情況下，受衍射極限的限制，系統(tǒng)的實際空間分辨率也只有約14 μm。近場紅外成像則檢測探針尖端所散射的樣品表面近場輻射信號，因此不受遠(yuǎn)場光學(xué)衍射極限限制，可獲得超分辨紅外圖像（圖3c）。

圖3 樣品Au（SiO?襯底）的（a）光學(xué)顯微、（b）遠(yuǎn)場紅外和（c）近場紅外的圖像及成像原理示意圖

另外值得注意的一點是，圖3（c）所示的紅外近場圖像不僅僅在分辨率上有所提高，而且在金屬與襯底的信號強度對比上出現(xiàn)了明顯反轉(zhuǎn)（由遠(yuǎn)場切換至近場后，Au由弱信號方（藍(lán)色）轉(zhuǎn)變?yōu)閺娦盘柗剑t色））。針對上述現(xiàn)象的解釋如下：遠(yuǎn)場成像時，Au是高反射物體，因此吸收紅外光的能力極弱，根據(jù)基爾霍夫定律，則其紅外發(fā)射率也很低。因而遠(yuǎn)場紅外成像中其信號弱于襯底SiO?；而在近場成像中，室溫金屬（Au）中的自由電子存在劇烈的熱運動（熱噪聲），從而在金屬表面產(chǎn)生極強的表面電磁波，因而Au上的信號遠(yuǎn)強于SiO?。由此可見，SNoiM技術(shù)不僅突破了紅外衍射極限限制，而且能夠檢測遠(yuǎn)場顯微鏡所無法探測的物理過程。

基于SNoiM的微觀載流子輸運及能量耗散可視化研究

基于SNoiM技術(shù)的另一項創(chuàng)新與突破在于納米尺度下通電器件中微觀載流子輸運及局域能量耗散的直接可視化。值得指出，SNoiM所檢測的近場輻射信號來自于物體近表面的傳導(dǎo)電子，因此其成像結(jié)果所反映的是物體表面的局域電子溫度（Te）。目前僅SNoiM技術(shù)可實現(xiàn)納米尺度下電子溫度分布的直接成像。下面將以通電微小金屬線（NiCr合金）為例進(jìn)行說明。

圖4（a）為NiCr金屬線的光學(xué)顯微圖像（上）及其通電后的紅外遠(yuǎn)場熱圖像（下）。紅外遠(yuǎn)場成像檢測通電器件的遠(yuǎn)場輻射，從而估算出器件的表面溫度。比如，器件中心處出現(xiàn)明顯熱斑，該處溫度最高，表明電流流經(jīng)微小彎曲金屬線時能量耗散最大。而受衍射極限限制，遠(yuǎn)場紅外熱成像無法分辨微小金屬線（寬度約3.3 μm）上不同區(qū)域的溫度分布，因此無法有效反映微觀尺度上載流子的能量耗散特性。與之相比，近場紅外熱成像則可清晰展示器件中心區(qū)域微觀載流子的輸運及能量耗散行為。如圖4（b）所示，當(dāng)電流經(jīng)過器件凹形彎折區(qū)時，近場紅外熱成像下，該區(qū)域內(nèi)存在極其不均勻的溫度分布，而且在凹形內(nèi)側(cè)出現(xiàn)顯著熱斑。該現(xiàn)象表明，通電NiCr器件的凹形區(qū)內(nèi)存在非均勻局部焦耳熱，且內(nèi)側(cè)區(qū)域電子能量耗散最大，這是由于電流的擁擠效應(yīng)所造成的。此外，該溫度分布圖像似乎表明，通電時，載流子傾向于避開直角拐角處，并趨于沿著U形路徑分布。為驗證這一猜想，該實驗進(jìn)一步設(shè)計了中心區(qū)域呈U形彎折的通電NiCr金屬線，并對其進(jìn)行了近場紅外熱成像表征。圖4（c）顯示，U形區(qū)域溫度均勻分布，無明顯局域熱斑，這表明載流子傾向于沿著U形路徑均勻輸運?；赟NoiM納米熱分析研究而提出的新設(shè)計大大緩解了電流擁擠效應(yīng)可能對器件造成的局部熱損傷，具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 （a）通電金屬線顯微圖像及遠(yuǎn)場熱成像；器件彎折區(qū)域分別為（b）凹形、（c）U形的掃描電鏡圖像及超分辨紅外近場熱成像

總結(jié)與展望

綜上，利用SNoiM技術(shù)，可以實現(xiàn)物體表面的近場輻射探測及紅外超分辨溫度成像。該技術(shù)是目前國際上唯一能夠進(jìn)行局域電子溫度成像的科學(xué)儀器，不僅突破了紅外遠(yuǎn)場熱成像的衍射極限限制，且首次實現(xiàn)了納米尺度下通電器件中載流子輸運行為與能量耗散的直接可視化。該研究內(nèi)容均基于第一代室溫SNoiM系統(tǒng)，目前，第二代低溫SNoiM系統(tǒng)已被成功搭建，有望進(jìn)一步突破后摩爾時代信息和能源器件的功耗降低及能效提升難題，探索物理新機制，并推動納米測溫技術(shù)新的發(fā)展。

編輯：黃飛

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