基于底部照明TERS扫描成像的研究

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针尖增强拉曼光谱(TERS)作为一种可以提供分子尺度信息的非破坏性和无标记的成像方法,具有高灵敏度和纳米级空间分辨率,在纳米材料和生化分析和表征中具有广泛的应用。由于其高灵敏度和空间分辨率主要来自TERS探针尖端顶点位置的局部表面等离子体共振作用(LSPR),而表面等离子体耦合效应很大程度上取决于尖端尺寸和形状,高探测灵敏度则来自于尖端顶点位置探针与激发光束之间的杂化耦合效应。因此,TERS探针在作为TERS技术的增强源,发挥着核心的作用。而目前一般用于TERS检测的金属尖端,所需的原始探针大多数都是一些商品化的原子力显微镜(AFM)探针,这些商品化AFM针尖所用的原始材料为硅或氮化硅,很难将他们直接用于有效的TERS研究。通常需要对这些AFM探针再进行一些特殊的加工处理,来改善尖端的TERS特性。为了研究得到稳定的TERS增强探针用于成像工作。本论文首先调研了目前最广泛使用的探针加工方法,在普通AFM探针的基础上,采取在针尖表面镀一层金或银等贵金属膜,得到有效的TERS探针用于具体的实验工作。对于这类真空热蒸镀方法而言,金属膜层的质量直接与实际镀膜工艺有关,包括镀膜仪器的类型、真空度、蒸发速度、以及温度等,相关实验参数的优化直接决定了尖端的TERS作用效果。基于底部照明的透射式AFM-TERS成像系统,从理论和实验上对探针的TERS增强作用进行了分析。结合金属化“倾斜”纳米探针的应用,系统研究了探针尖端的参数对增强的影响,包括模拟了探针锥角和相对于基底的倾角对电场增强的影响,以及尖端镀膜包层的厚度的作用,优化探针的实验参数得到作用效果更好的TERS探针,精确测得了不同纳米样品分子增强拉曼光谱。并在稳定的单点拉曼光谱采集的基础上局域连续扫描成像,实现了纳米级别的高分辨率成像功能。同时实验系统具有很强的灵活性,具有可重复操作、检测样品多样化等优势。有助于我们进一步研究TERS探针的的特性及拉曼成像,在材料表征、生物化学样品的测试以及超分辨生物成像方面同样具有一定的应用前景。
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