什么是「近场光学显微镜」？为什么说它是打开纳米世界大门的钥匙？

本文转载自科技大观园，原文为《近场光学显微术，开启奈米世界大门》作者/简景航|科技大观园特约编辑。近场光学显微镜可以突破衍射极限，使我们能够看到纳米尺度的光学图像。传统光学显微镜经过几个世纪的发展，从20世纪下半叶开始，突破光学衍射极限成为显微镜学的重要课题。衍射极限是光波所能聚焦的最大维度(约为光波长的一半，以可见光计算约为200-350 nm)，与纳米材料相比还有很大差距。显微镜的发明是进入微观世界的里程碑。突破了光学衍射的极限后，就可以打开进入纳米世界的可能性。

突破光学衍射极限的超分辨显微术分为远场和近场两大类。两者的区别在于探头能否在离样品较远的距离(约几纳米)进行测量，如果可以，则为近场，其余为远场。如果远场显微术要实现纳米级的超分辨率，需要特殊的荧光校准和大量的计算机计算。

陈奇，中央研究院应用科学研究所研究员，专攻近场光学显微镜，属于扫描探针显微镜(SPM)结合光学的分支。

00-1010探针扫描显微镜一般是指用探针扫描样品的显微技术，根据原理的不同又细分为几大类。在探针扫描显微镜的整个家族中，最早的成员是1981年问世的扫描隧道显微镜(STM)。其主要机理是检测探针与被测物体之间的定量隧穿电流(注1)，以此作为反馈信号控制针尖与被测物体之间的距离，从而获得被测物体二次能级的波动。原子力显微镜(AFM)，发明于1986年，是过去应用最广泛的探针显微技术。它利用针尖接触或轻敲物体，通过检测针尖与物体表面之间的范德华力，就可以知道物体表面的波动。

扫描显微镜(SPM)系列。仅为了说明，并未包括所有成员。图/刘新响制图，来源：陈奇在探针扫描显微镜中，控制针尖与物体之间的相对距离是一个重要的课题。STM可以将距离控制在一纳米以下，而AFM可以从一纳米到几十纳米不等。况且，在纳米世界里“动”也不容易。因为机械的“运动”，它的尺度会在微米级以上，这就好比我们不能像蚂蚁一样要求台阶。幸运的是，1880年，圭利兄弟发现压电材料可以因外加电场而引起晶格长度的伸长或收缩，从而引起纳米级的“运动”。所有以前的探针显微镜都使用压电效应来控制针尖或样品的“运动”。

00-1010根据STM/AFM控制针尖的技术基础，扫描近场光学显微镜(Snom)的特点是在针尖上增加了光源，根据光源形式的不同分为两类：

1.孔径SNOM(简称A-Snom)2。散射SNOM(简称SNOM)

SNOM是一个透明的原子力显微镜针尖。首先镀上金属膜，打一个孔，使光可以透过约50-100nm的孔，得到光学衍射极限的光信号。S-SNOM使用外部激光源聚焦在针尖上，并测量散射光信号。其中，针尖增强拉曼光谱显微镜(TERS)是一种特殊的近场光学模式，属于s-SNOM，主要用于测量拉曼散射光谱，从而识别成键键的类型。由于拉曼信号相对较弱，通过探针镀上金属膜可以改善探针尖端局部电场的放电效果，增强待测物体的拉曼信号，利用针尖的运动获得纳米级空间分辨率的拉曼成像。

(左)SNOM使用的探针顶端有微孔。(中)a-SNOM原理：绿色箭头表示光通过微孔从上方进入样品，红色箭头表示探测器接收到光信号。(右)s-SNOM原理：绿色箭头表示光聚焦在针尖上，红色箭头表示探测器接收到光信号。光源和检测器的位置可以互换。图片/陈奇提供

探针扫描显微术，家族成员众多

在陈奇读博士期间，他的研究领域主要集中在单分子光学测量结合低温超高真空STM，需要在探针扫描显微镜的稳定性和分辨率上做极其精细的工作。毕业后，在标准转向室温室压力下的探针扫描显微镜与光学相结合，可以测量更多种类和不导电的样品。

陈奇在后博客时期的作品主要集中在TERS，他曾经发表过一个高达

2 奈米以下的成果，维基百科的 TERS 条⽬，也引⽤了陈祺当时发表在《Nature Communication》的论⽂。回国进入中研院之后，陈祺也开始 a-SNOM 的研究。

无论 TERS 或 a-SNOM，两者的实验设计都是建构在 AFM 上，因此陈祺会⾃⾏架设更精準的 AFM，以达成近场光学显微术更佳的稳定性。

近场光学实验操作上的困难除了针尖的製作之外，稳定的 AFM 扫描其实也相当不容易，是维持针尖品质的关键。传统上 a-SNOM 都是以接触式（contact mode）的 AFM 方式扫描，以防止轻敲式（tapping mode）起伏会干扰光讯号，代价就是 AFM 的解析度极差。陈祺将⾃架的近场光学实验放进⼿套箱里，能让针尖在轻敲式时维持极⼩的振幅（在⼀个奈米以下），可以大幅提高 AFM 的形貌解析度，也几乎不损伤针尖。由于陈祺有非常丰富⾃架仪器的经验，才能很⼤程度突破⼀般商⽤仪器的限制。

⼀般认为 TERS 有较佳的解析度，但由于 TERS 在散射讯号影像上有很大程度的不确定性，经常导致假讯号或假解析度的发生。近年来陈祺反⽽把研究的主轴转向 a-SNOM，因为她更看重是否能由 AFM 得到的材料结构和高度，来解释近场光学所量测的结果，以期研究材料背后的物理或化学现象。

另外，陈祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量测，将针尖与光学元件整合在自製的腔体（cage system）之中，得以在保持生物样品的活性之下得到超高解析度的影像，这将是开启利用近场光学研究⽣物课题的重要⾥程碑。

最后，⾝为拥有两个孩⼦的女性研究员，「如何兼顾⼯作与家庭」或许是⼀般新闻媒体会问的问题。然⽽，陈祺分享⾃⼰的⼼得：「是不可能兼顾的啦！先集中精神做好⼀件事，等另⼀件要爆掉的时候再去救它。」可能坦承⾃⼰没有办法做好每件事， 反⽽让陈祺在实验上永远能找到促使⾃⼰改进的动⼒。

注解

注 1：量⼦穿隧电流：在量⼦世界中，物质同时具有波动和粒⼦的特性。因具有波动的性质， 当电⼦撞击⼀层很薄的障碍物时，有不为零的机率穿过去，并产⽣穿隧电流（tunneling current ）。穿隧电流与障碍物厚度成指数函数递减，因此可藉由量测穿隧电流强度计算出待测物表⾯极微⼩的⾼低起伏。

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