红外热成像技术通过检测物体本身发出的远场红外辐射来感知表面温度。 广泛应用于军事、民航、安防监控、工业制造等重要领域。 但由于光学衍射极限的限制，红外热成像的分辨率通常在微米级及以上，因此无法用于观察纳米级物体。 近年来，我们研发了红外被动近场显微技术，通过检测物体表面的近场辐射，极大突破了红外衍射极限，将红外温度检测与成像从传统的微米尺度拓展到了纳米尺度。
据Memes咨询了解，近日，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术国家重点实验室科研团队发表《红外近场辐射探测与超分辨温度》论文在《红外和毫米波杂志》中。 以“影像”为主题的文章。 文章第一作者为朱晓燕，主要从事红外被动近场成像研究。
本文将重点介绍扫描噪声显微镜（SNoiM）技术的实验原理和应用，详细介绍如何通过自主研发的红外被动近场突破红外热成像的衍射极限，实现纳米级红外温度成像显微镜。
近场辐射
让我们从黑体辐射的起源开始。 如图1（a）所示，大多数物体内部都含有大量带正电和带负电的粒子。 这些带电粒子永远不会静止不动，而是始终处于随机扰动（热运动）的状态。 我们所熟悉的热辐射源于物体内部带电粒子的热运动，其辐射特性可以用普朗克黑体辐射定律来描述。 但鲜为人知的是，物体内部的电荷扰动不仅在物体辐射波长尺度以外的区域产生红外热辐射（远场辐射），而且在物体附近产生能量密度极高的表面扰动电磁波。物体的表面。 （以倏逝波的形式存在），可以称为近场辐射。 理论很早就预言了这种表面电磁波（近场辐射）的存在，并发现为远场辐射建立的认知和定律（如普朗克辐射定律等）将不再适用于近场辐射但由于检测难度极高，相关实验研究尚未取得重大突破。 2009年，美国麻省理工学院和法国国家科学研究中心的研究小组取得重要进展，通过实验验证纳米尺度的近场辐射传热效率可以远远超过黑体辐射极限。 虽然该实验验证了物体表面近场倏逝波的存在，但相关物理现象仍缺乏更直接的实验方法对其进行进一步研究。
图1(a)物体表面存在的远场辐射和近场辐射； 探头调制技术：(b)当探头远离样品时，不会散射物体表面的近场倏逝波，(c)当探头靠近样品时，物体可以散射近场倏逝波当它们接近表面时； (d) 红外被动近场显微镜(SNoiM)示意图
红外被动近场显微镜（SNoiM）的实验原理与应用
SNoiM技术的实验原理
来自物体表面的近场辐射由于其渐逝波性质（即，远离物体表面强度急剧衰减）而难以检测。 SNoiM中采用扫描探针技术有效解决了这一问题。 如图1（b）所示，当未引入纳米探针（或探针远离物体表面）时，无法检测到物体表面附近的近场倏逝波。 显微镜工作于传统的红外热成像模式，即仅获取其远场辐射信号。 SNoiM技术的关键是将探头放置在靠近样品近表面的地方（例如10 nm以内），这样近场倏逝波可以被尖端有效地散射。 在这种检测模式下，探测器采集的样本信号同时包含近场和远场分量。 因此，通过控制探头到物体表面的距离h，可以获得近场和远场混合信号（h < 100 nm，称为近场模式）或单一远场信号（h >> 100 nm 或去掉探头（针，称为远场模式）。 最后，利用探头高度调制和解调技术可以从远场背景中提取物体的近场信息。
图1(d)所示为SNoiM系统检测近场信号的示意图。 探头散射的近场信号首先由高数值孔径红外物镜收集。 但在此过程中，来自环境、被测物体以及仪器本身的远场辐射信号无法消除。 它们与近场信号一起被红外物镜收集，导致被测物体微弱的近场信号被埋藏在巨大的远场背景中。 在辐射中。 为了最大限度地减少远场背景信号，研究人员在红外物镜上方设计了一个孔径非常小（约100μm）的共焦孔。 这种共焦结构可以减少采集光斑，有效抑制背景辐射信号。 然而，即便如此，让红外探测器足够灵敏以探测纳米探针散射的微弱近场信号仍然存在很大困难。 为此，我们团队开发了超高灵敏度红外探测器来克服这一技术障碍。
图2(a)所示为第一套SNoiM设备的实物图。 其中，金色圆柱形腔体为低温杜瓦瓶，内部装有自主研发的超高灵敏度红外探测器（CSIP）和一些低温光学元件； 白盒子是在实验室组装的基于音叉的原子力显微镜（AFM）。 、红外采集物镜和样品台区域，具体参见图2(b)和(c)。 红外近场图像的空间分辨率不再受检测波长限制，而是由探头尖端尺寸决定。 如图2（b）插图所示，通过电化学腐蚀方法可以制备出具有优异形貌的金属（钨）纳米探针，其中尖端直径可以小至小于100 nm。
图2（a）配备超高灵敏度红外探测器的红外被动近场显微镜SNoiM的物理图像； (b) AFM 和红外收集物镜； 插图为电化学腐蚀制备的金属（钨）纳米探针； (c) 探针和样品的显微照片
基于SNoiM的超分辨红外成像研究
利用SNoiM技术检测物体表面的近场辐射，可以大大突破红外衍射极限，实现超分辨红外成像。 首先以亚波长金属结构的成像结果为例进行演示。 图3(a)是在普通光学显微镜下拍摄的Au薄膜样品的图像。 其中，亮金色区域为Au薄膜（约50 nm厚），其他区域为SiO2基板。 SNoiM系统可用于同时采集样品的远场和近场红外图像（采集远场图像时，只需将探头移离样品表面即可）。 如图3（b）所示，由于成像波长较长（~14μm），远场红外图像的分辨率远不如普通光学显微镜图像。 例如，无法清晰地区分Au与基材（SiO2）之间的边界，无法识别中间的细小金属条状结构（图中黑色虚线所示）。 然而，在相同的探测波长下，图3（c）所示的近场红外图像表现出超高的空间分辨率，其图像清晰度完全可以与普通光学显微镜获得的图像相媲美。 为了进一步明确上述三种显微成像技术之间的差异，图3中的示意图给出了检测信号的来源：对于光学显微图像，信号来自可见光的反射。 由于金属的反射能力强，Au 上的信号比 SiO2 上的信号强得多。 可见光波长范围为400~760 nm，因此光学显微镜可以清晰地区分样品表面的精细结构。 远场红外成像不依赖外部光源。 它通过红外物镜直接采集物体本身发出的辐射信号并成像。 当检测波长为14μm时，受衍射极限的限制，系统的实际空间分辨率仅为14μm左右。 近场红外成像检测的是探针尖端散射的样品表面的近场辐射信号，因此不受远场光学衍射极限的限制，可以获得超分辨率红外图像（图3c）。
图3 样品Au（SiO2基板）的（a）光学显微镜、（b）远场红外和（c）近场红外图像及成像原理示意图
另一点值得注意的是，图3（c）所示的红外近场图像不仅分辨率有所提高，而且金属与基底之间的信号强度对比度也出现了显着的反转（通过远场切换后）到达近场时，Au 从弱信号侧（蓝色）变为强信号侧（红色）。 对于上述现象的解释是：在远场成像时，Au是一种高反射物体，因此它吸收红外光的能力极弱。 根据基尔霍夫定律，它的红外发射率也很低。 因此红外与毫米波报，在远场红外成像中，其信号比衬底SiO2弱； 在近场成像中，室温金属（Au）中的自由电子发生剧烈的热运动（热噪声），从而在金属表面产生极强的表面电磁波。 ，因此 Au 上的信号比 SiO2 上的信号强得多。 可见，SNoiM技术不仅突破了红外衍射极限，还可以检测远场显微镜无法检测到的物理过程。
基于SNoiM的微观载流子输运与能量耗散可视化研究
基于SNoiM技术的另一项创新和突破是纳米级通电器件中微观载流子传输和局部能量耗散的直接可视化。 值得指出的是，SNoiM检测到的近场辐射信号来自物体近表面的传导电子红外与毫米波报，因此其成像结果反映了物体表面的局部电子温度（Te）。 目前，只有SNoiM技术能够实现纳米尺度电子温度分布的直接成像。 以下以通电的微小金属线(NiCr合金)为例进行说明。
图4（a）显示了NiCr金属线的光学显微镜图像（上）及其通电后的红外远场热图像（下）。 红外远场成像检测通电设备的远场辐射，以估计设备的表面温度。 例如，器件中心出现明显的热点，此处温度最高，表明电流流过微小弯曲的金属线时能量耗散最大。 然而，受衍射极限的限制，远场红外热成像无法区分微小金属线上（宽度约3.3μm）上不同区域的温度分布，因此无法有效反映微观尺度上载流子的能量耗散特性。 相比之下，近场红外热成像可以清楚地展示器件中心区域微观载流子的输运和能量耗散行为。 如图4(b)所示，当电流通过器件的凹弯区域时，在近场红外热成像下，该区域存在极其不均匀的温度分布，器件内部出现明显的热点。凹形。 这一现象表明，通电NiCr器件的凹面区域存在不均匀的局部焦耳加热，内部区域电子能量耗散最大，这是由电流的拥挤效应引起的。 此外，该温度分布图像似乎表明，当通电时，载流子倾向于避免直角，而倾向于遵循 U 形路径。 为了验证这一猜想，实验进一步设计了中心区域呈U形弯曲的通电镍铬金属丝，并用近场红外热成像对其进行了表征。 图4(c)显示U形区域内温度分布均匀，没有明显的局部热点，这表明载流子倾向于沿着U形路径均匀传输。 基于SNoiM纳米热分析研究提出的新设计极大减轻了电流拥挤效应可能对器件造成的局部热损伤，具有重要的指导意义。
图4(a)通电金属线的显微图像和远场热成像； 器件弯曲区域（b）凹形和（c）U形的扫描电子显微镜图像和超分辨率红外近场热成像
总结与展望
综上所述，利用SNoiM技术，可以实现物体表面的近场辐射探测和红外超分辨温度成像。 该技术是目前世界上唯一能够进行定域电子温度成像的科学仪器。 它不仅突破了红外远场热成像的衍射极限，而且首次实现了纳米尺度的载流子输运行为和能量消耗。 色散的直接可视化。 本研究内容基于第一代室温SNoiM系统。 目前，第二代低温SNoiM系统已搭建成功。 有望进一步突破后摩尔时代信息与能源设备的功耗降低和能效提升问题，探索新的物理机制，推动纳米测温技术新发展。
该研究得到了国家自然科学基金委杰出青年基金的资助和支持。
论文链接：
DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2023.05.001
