H. Park, J. Kim, M. Kim, and H. Han

电子计算机工程系，Pohang科技大学, Pohang 790-784, 韩国

hhan@postech.ac.kr

I. Park

电子计算机工程系, Ajou 大学, Suwon 443-749, 韩国

    摘要：我们在本文中主要讨论：结合了太赫兹时域波谱学(THz-TDS)和原子能显微法技术(AFM)的太赫兹脉冲无缝近场显微镜 (THz NFM)。通过扫描穿越镓或砷/任意单位边缘的探针，实践证明：太赫兹显微镜的侧边分辨率为～80纳米（nm）。

    I. 引言

    近些年来，太赫兹科技越来越多的吸引着各国科学家们在其各个领域内的应用研发，例如太赫兹成像技术，以及应用太赫兹时域谱技术(THz TDS)在物质鉴别方面的使用等等。[1] 太赫兹时域波谱学以其超强的技术可以对半导体和生物分子的纳米结构体的电光特质进行探测。但是，传统太赫兹时域谱技术(THz TDS)系统的空间分辨率因其衍射的现象而倍受局限。

    在这项研究中，我们主要汇报：结合了太赫兹时域谱(THz-TDS)和原子能显微法技术(AFM)的太赫兹脉冲无缝近场显微镜 (THz NFM)。它不仅提供了样品表面的太赫兹光谱成像，同样也提供了其形态结构。[2-5] 太赫兹近场由一枚探针顶部所发布，其广大背景太赫兹信号，基于样品顶端距离的调制，将被锁定探测所减弱。通过扫描穿越镓砷或黄金物质边缘的探针，实践证明：太赫兹显微镜的侧边分辨率大约为80纳米（nm）。

    II. 实验和结果

    通过对半覆盖于镓砷底层表面的厚度为35纳米（nm）黄金(Au)薄片的蒸发作用，样品得以准备。用电蚀的方法，将一根直径为50微米（um）的钨丝构造成为一个1毫米（mm）长的探针顶部，顶部尖端半径为50纳米（nm）。该探针顶部与一石英晶体调音叉的一端呈平行安装，因此探针顶部将与样品表面产生垂直振荡。当探针顶部接近样品表面时，随着调音叉的振荡变化，其振幅、位相和共鸣频率都会发生改变。在我们的实验中，振幅参数被用作反馈信号的来源以调节探针顶部到样品表面的距离，并通过对压力致动元件的控制，保持恒量，进而追踪样品表面。太赫兹光电天线可探测太赫兹探针顶部信号,与此同时，样品表面的原子能显微法技术(AFM)成像也可以通过压力致动元件所产生的反馈信号而获得。

    太赫兹脉冲无缝近场显微镜 (THz NFM)的实验设置与传统的太赫兹时域波谱学技术(THz TDS)，除了原子能显微法技术(AFM)之外，其余则十分相似。运用一飞秒(fs) Ti:蓝宝石激光, 通过80飞秒(fs)脉冲宽度，在790纳米（nm）中心波长中，从InAs晶片产生太赫兹光波。这样所产生的太赫兹光波将在探针顶部和样品表面系统中照亮，入射角为60°，聚焦光柱直径为500纳米（nm）。通过在顶点附近发散太赫兹近场，入射太赫兹光产生的顶点信号。发散的顶点信号和镜像反射的太赫兹信号通过光导天线可以进行测量。抖动探针而不断调节的顶端信号则由一个内置的放大器所记录，而背景的太赫兹信号则可消除。

    所测量黄金(Au)薄片表层所产生的时域顶端信号要大于镓砷表层所产生的信号，因为物质中的感应双极子数量决定顶端信号。

    太赫兹脉冲无缝近场显微镜(THz NFM)的空间分辨率是由通过扫描穿越镓砷边缘而获得。

    一维(1D)步骤的原子能显微法技术(AFM)和太赫兹近场成像可以通过保持探针顶部和样品表面距离而测出。从原子能显微法技术成像，黄金(Au)薄片的厚度再度确认为35纳米（nm）左右。太赫兹脉冲无缝近场显微镜(THz NFM)80纳米（nm）10 % - 90 %侧边分辨则可以实现。

    III. 结论

    结合了太赫兹时域波谱学(THz-TDS)和原子能显微法技术(AFM)，我们研发了太赫兹脉冲无缝近场显微镜 (THz NFM)系统。实验证明：太赫兹脉冲无缝近场显微镜(THz NFM)的侧边分辨可实现少于100纳米（nm）。

    中国太赫兹研发网 余郑璟博士 译