IF：86.2！近场光学技术登上Nature Reviews Materials，聚焦纳米成像与纳米光谱的发展与展望
发布日期：2025-07-07
近期，《Nature Reviews Materials》发表了一篇题为“Visible-to-THz near-field nanoscopy”的综述文章。文章系统梳理了散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）近25年的突破性贡献及影响，既清晰呈现了该技术的发展脉络，也详细介绍了它在纳米光子学、材料科学、生物及量子研究等多个重要领域的持续拓展与应用。
作为突破光学衍射极限的革命性技术，s-SNOM 通过原子力显微镜（AFM）探针捕捉纳米级光散射信号，在可见光至太赫兹（THz）宽谱域内实现 10 nm级分辨率成像与光谱测量，且分辨率与照明波长无关。
图1. s-SNOM技术基本测量维度：实现跨维度材料特性与现象探测。
近场光学显微镜（SNOM）技术的奠定可追溯至 20 世纪 90 年代，但早期技术因强背景噪声制约了成像可靠性。2000年，本综述第一作者Rainer Hillenbrand与Fritz Keilmann共同开创了现代s-SNOM系统，通过赝外差干涉探测与高次谐波解调技术的创新设计成功消除背景噪声，为技术实用化奠定基础。值得关注的是，时任德国马克斯·普朗克研究所研究员的Rainer Hillenbrand自2008年起任巴斯克科学研究机构（Ikerbasque）终身教授及纳米光子研究组主任，同时作为Neaspec公司（现属Attocube Systems集团）联合创始人，他推动了s-SNOM技术的商业化进程，使这一先进技术在学术界与工业界获得广泛应用，成为探索纳米技术、量子材料及生物系统关键难题的核心工具。
图2. 基于s-SNOM技术的全新一代neaSCOPE纳米光谱与成像系统
本综述深入探讨了s-SNOM技术的核心原理，实现无标记、多尺度材料表征等特有优势，重点分析了该技术对等离子激元、声子与激子的超高灵敏度。基于这种敏感性，s-SNOM可实现纳米尺度的表征：
电子特性表征（载流子密度/迁移率）
化学组分解析（分子振动指纹/化学键态）
晶体结构测定（晶格对称性/相变过程）
突破性进展部分着重阐述了技术应用的边界拓展：
极端低温环境（<4K液氦温区量子态观测）
强外场调控（磁场中拓扑材料相变追踪）
液体浸润体系（电化学界面固液反应动态监测）
这些突破使s-SNOM在前沿基础研究（如高温超导机理）与产业应用开发（量子器件质检）中的战略价值显著提升。
图3. 散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）多环境适配系统。
s-SNOM通过纳米级局域光场增强机制，在空间维度突破光学衍射极限（10 nm分辨率），解析量子材料畴结构；在能量维度识别等离子激元、声子及激子特征（灵敏度达分子振动谱级）；在时间维度追踪飞秒级载流子动力学。近年技术突破更拓展其极端环境适应性：液氦温区（4K）量子态观测、强磁场中拓扑相变解析、液体环境电化学界面反应监测。作为光学纳米成像领域的颠覆性技术，s-SNOM凭借空间-时间-能量多维度协同解析能力，持续推动纳米光子学、量子材料和生物医学等领域的突破性进展，为下一代科学技术革命提供难以替代的纳米尺度光学表征技术。
在频率为Ω的振荡原子力显微镜探针尖端处聚焦光束照射时，尖端作为光学天线将入射光束浓缩为纳米级近场光斑（直径约10-50 nm，且与照射波长无关），探针与样品间的近场相互作用使探针散射光携带样品局域特性的关键信息。通过样品栅格扫描并同步记录探针散射光，可获得纳米级空间分辨率的样品表面光学图像。照射光源类型包含：从单色连续波（CW）辐射到宽带飞秒脉冲，覆盖整个可见光至亚太赫兹频段（对应能量范围：电子伏至毫电子伏），可在本征能量、空间与时间尺度下探测物理、化学及生物过程。典型应用包括：
可见光/近红外波段：激子响应与等离激元响应的纳米级探测与成像
中红外/远红外波段：声子、等离极化激元、声子极化激元及分子振动
红外-太赫兹波段：Drude模型与等离激元激发
基于< 303 nm³的探测体积及100×100 µm²量级的扫描面积，散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）可研究从纳米至介观尺度的跨尺度物理现象及体系，包括约束于样品边缘的极化激元模式、摩尔超晶格、相畴结构、半导体器件、生物分子聚集体及细胞等。当结合超快时域光谱与时间分辨泵浦-探测技术时，s-SNOM可生成揭示超快动力学的时间分辨"影像"：除连续光源可测的稳态过程外，还可捕获皮秒至飞秒尺度的热载流子产生、金属-绝缘体相渗流与相变、表面等离极化激元传播等过程。
图4. s-SNOM的近场探测原理与机制。
该光学系统采用集成化构架，包含单色成像模块与宽带纳米傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）模块，由抛物面镜实现双向功能：将左右两侧入射光聚焦至频率Ω振荡的原子力显微镜（AFM）探针尖端，并同步收集针尖散射光。左侧赝外差干涉检测模块兼容气体激光器至光学参量放大器等多种光源，其迈克耳孙干涉仪通过频率M振荡的参考镜调制参考光束相位，探测器依据照明波长选型以捕获针尖散射光与参考光束的干涉信号；右侧傅里叶变换光谱模块适配宽带激光连续谱至同步辐射光源，采用参考镜线性位移的迈克耳孙干涉仪记录散射光干涉图，突破性将样品置于干涉臂内，经傅里叶变换直接输出振幅/相位谱。配套图示体系包括：图5b展示单色光源下探测器输出的时域傅里叶分析，通过频率分量nΩ+M与nΩ+2M的强度值计算振幅/相位信号Sₙ和Arg(Sₙ)；图5c/d分别为烟草花叶病毒（TMV）在1,660 cm⁻¹与1,720 cm⁻¹的近场振幅/相位图像（硅基底归一化）及AFM形貌图；图5e阐明宽带光源背景消除流程——探测器信号I在nΩ阶解调后随参考镜位移量d记录非对称干涉图Iₙ(d)，经傅里叶变换及参比归一化获得振幅谱sₙ(ω)和相位谱φₙ(ω)；图5f显示TMV病毒衣壳蛋白的nano-FTIR特征光谱（测试位点：d图红点；参比位点：黄点），清晰呈现酰胺I带/II带振动峰；最终由面板示意图（Pa）完整关联模块功能。
图5. 基于现代双光路架构的s-SNOM成像与光谱系统。
该技术体系通过特征波数精准解析实现跨尺度材料物性解码：在嵌段共聚物中锁定羰基键振动峰（1,728 cm⁻¹）绘制化学组分分布图6（a）；突破性实现锂铁磷酸盐（LiₓFePO₄/FePO₄）相边界30纳米级分辨成像（1,042 cm⁻¹），揭示富铁磷酸盐外壳包裹锂核的失效机制图6（b）；基于蛋白二级结构酰胺I带特征位移（α-螺旋1660 cm⁻¹ vs β-折叠1630 cm⁻¹），实现病毒颗粒与胰岛素纤维的无标记识别图6（c）。在半导体领域，太赫兹频段（84.7 cm⁻¹）成像定量绘制多晶体管载流子浓度梯度图6（d）；近红外波段（7,017.5 cm⁻¹）捕获锥形金属表面等离激元（SPPs）的纳米聚焦与干涉效应图6（e）。
图6. s-SNOM的多学科应用
针对能源材料，905 cm⁻¹波段追踪CuO₂纳米晶在CO₂电还原中的原位结构演变图6（f），930 cm⁻¹波段解析二氧化钒在343K温度下绝缘体-金属相变的时空非均匀性图6（g）。石墨烯等离激元研究图6（h）通过985 cm⁻¹特征峰成像揭示边缘约束的等离激元驻波，并与碳化硅基底声子极化激元（1,033/1,087 cm⁻¹）形成明确谱学区分。整套技术方案彰显s-SNOM在化学键成像（空间分辨率Δx≤10nm）、量子态捕获（能量分辨率ΔE≤0.5meV）、及原位动态监测（时间分辨率Δt≤100fs）三位一体的颠覆性能力，为纳米光子学、量子材料及能源催化研究提供原子尺度光学探针。
本文系统梳理了光辅助扫描探针显微技术核心术语的体系：以突破衍射极限的散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）为技术核心枢纽，衍生出原子力显微红外光谱（AFM-IR）、针尖增强拉曼散射光谱（TERS）、针尖增强光致发光光谱（TEPL）等纳米光谱技术分支；结合新型探测机制形成光诱导力显微术（PiFM）、近场光电纳米术（PCN）、激光太赫兹发射纳米术（LTEN）等多物理场耦合方法；技术参数涵盖连续波（CW）光源到太赫兹（THz）频段（紫外/UV-可见/Vis-红外/IR全谱段覆盖），室温（RT）环境下实现<5 nm空间分辨率；关键支撑技术包括微波阻抗谱（MIM）与太赫兹扫描隧道显微术（THz-STM），共同构成研究电磁（EM）场纳米局域效应的先进工具体系。
图7. 基于s-SNOM技术可以拓展的光学辅助扫描探针技术。
s-SNOM与nano-FTIR技术在保持非侵入性优势的同时，为化学与生物现象的探索提供纳米级空间分辨率与高化学灵敏度。典型案例如：可在单纳米粒子尺度研究多相催化与酶促反应，其他关键应用涵盖：
材料科学：腐蚀与降解原位表征、电化学过程、水分子层生长、镁基储氢、生物矿化
生命科学：蛋白质折叠与聚集
相变研究：铁电体、关联氧化物、过渡金属二硫化物中的相变行为，尤其聚焦VO₂与V₂O₃的莫特金属-绝缘体相变
能源材料：光生载流子动力学、缺陷/晶界处载流子累积机制的原位探测（如光伏与电池材料）
该技术通过针尖纳米聚焦近场，突破自由空间光与超局域化光-物质杂化准粒子（等离激元、声子、激子极化激元等）的动量失配限制，实现对纳米结构表面传播与局域行为的精准成像。展示了石墨烯边缘附近的等离激元干涉条纹，据此可精确测量等离激元色散关系。
展望未来，光源革命、超快探测突破与多技术集成将持续推动 s-SNOM 的发展。同步辐射源与自由电子激光结合针尖工程将拓展远红外至太赫兹频段的纳米光谱应用，飞秒激光器与电光采样联用将实现亚周期级时间分辨率的成像，而与力学谱、磁力显微等技术的联用将推动多信使纳米技术的进步。可以预见，s-SNOM 在探索纳米尺度强光 - 物质耦合基础原理、推动量子材料与生物医学研究等领域的作用将愈发重要，而 Neaspec 公司作为技术商业化的关键推动者，将继续引领这一技术在学术与产业应用中的深化。
