太赫兹近场显微镜

太赫兹有着光明的应用前景，还是一片未开垦的处女地。电子科技大学太赫兹中心自成立以来，为太赫兹科学研究搭建了更高的合作发展平台，也标志着我国以“国际前沿、”为目标的太赫兹科学研究迈入了崭新阶段。2018年6月，应电子科技大学太赫兹中心对真空环境下进行太赫兹近场光学研究的需求，QD中国工程师配合德国neaspec公司立即展开积响应并为客户量身定制了套真空太赫兹波段近场光学显微系统（HV-THz-neaSNOM），并已成功安装。 图1：电子科技大学太赫兹中心安装调试现场 图2：真空太赫兹波段近场光学显微系统（HV-THz-neaSNOM） 电子科技大学太赫兹中心原有一套大气环境太赫兹波段近场光学显微系统（THz-neaSNOM），空间分辨率~50nm、宽太赫兹时域近场响应波段0.5-2.2THz。由于更进一步的科研需要，客户需在更加严格的真空条件下进行太赫兹实验。为了满足客户的实验需求，德国neaspec公司在原有大气环境THz-neaSNOM的基础上，结合新的低温散射式近场光学显微镜（Cryo-neaSNOM）技术，设计了新的真空腔体系统，改进了原子力显微镜布局，并重新设计了光路，终成功研发出了套真空太赫兹波段近场光学显微系统（HV-THz-neaSNOM）。该套系统成功地继承了德国neaspec公司THz-neaSNOM的设计优势，采用保护的双光路设计，完全可以实现真空环境下太赫兹波段应用的样品测量。HV-THz-neaSNOM在实现30nm高空间分辨率的同时，由于采用0.1-3THz波段的时域太赫兹光源（THZ-TDS），也可以实现近场太赫兹成像和图谱的同时测量。这大地满足真空环境中太赫兹近场光学研究的需求，可以减少大气中水对太赫兹波段的吸收影响，能更好地保持样品的洁净，为用户进一步集成真空设备提供了基础。 图3：系统理论培训 图4：现场实时操作培训 太赫兹波有强的穿透性，对不透明物体能完成透视成像，用来做半导体材料、生物样品等的检测是其应用趋势之一。该套真空太赫兹波段近场光学显微系统（HV-THz-neaSNOM）的集成，将在生物应用、半导体元器件和相变材料载流子等研究及领域都有着广阔的应用前景，有望为广大太赫兹科研工作者提供更多实际研究工作中的便利和支持。

▲图 | 太赫兹扫描隧道显微镜系统（来源：资料图）太赫兹，是介于远红外和微波之间的电磁波，具有光子能量低、穿透性好等特点，在高速无线通信、光谱学、无损伤成像检测和学科交叉等领域具备广泛应用前景，被誉为“改变未来世界的十大技术”之一。简单来看，太赫兹扫描隧道显微镜系统就是一个超快摄影机，只不过它要观察和拍摄的对象是分子和原子世界，并且拍摄的帧率在亚皮秒量级。对于非线性太赫兹科学来说，控制太赫兹脉冲的“载波包络相位”，即激光脉冲的载波与包络之间的关系至关重要，特别是用于超快太赫兹扫描隧道显微镜时。太赫兹载波包络相位移相器的设计和实现，在利用太赫兹脉冲控制分子定向、高次谐波生成、阈上电离、太赫兹波前整形等领域，均具备潜在应用价值。（来源：Advanced Optical Materials）1. 为调控太赫兹的载波包络相位提供新方案据介绍，王天武在中科院空天信息研究院（广州园区）-广东大湾区空天信息研究院担任主任和研究员等职务，研究方向为太赫兹技术。目前，其主要负责大湾区研究院的太赫兹科研队伍建设。该研究要解决的问题在于，常规探测手段只能得到静态的原子形貌图像，无法观察物质受到激发，例如经过激光辐照后的动态弛豫过程图像，即无法观察到激子的形成、俄歇复合、载流子谷间散射等过程，而这些机理的研究，对于凝聚态物理学包括产业化应用都非常重要。原因在于，这些动力学过程发生的时间尺度，往往都在皮秒量级，即万亿分之一秒的时间，任何普通调控手段均无法达到这一时间量级。利用飞秒脉冲激光技术，能显著提高扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）这一扫描探针显微术工具的时间分辨率。但是，目前仍受到多种因素的限制，比如样品和针尖制备困难、针尖的电容耦合效应、脉冲光引起的热膨胀效应等。太赫兹的脉冲宽度位于亚皮秒尺度，其电场分量可被看作一个在很宽范围内、连续可调的交流电流源。因此，将太赫兹电场脉冲与 STM 结合，利用其瞬态电场，即可作用于扫描针尖和样品之间的空隙，从而产生隧穿电流进行扫描成像，能同时实现原子级空间分辨率和亚皮秒时间分辨率。如前所述，太赫兹扫描隧道显微镜系统好比一个超快摄影机。但是，太赫兹电场脉冲和 STM 的实际结合过程，却并非那么简单，中间要攻克诸多难题。其中一个最基础的重要难题，在于太赫兹源的相位调控技术。太赫兹扫描隧道显微镜系统是利用太赫兹激发针尖尖端和样品之间的空隙，来产生隧穿电流并进行采样。不同相位太赫兹源的电场方向不一样，这样一来所激发的隧穿电流的方向亦不相同。根据不同样品施加不同相位的太赫兹源，可以更好地匹配样品，进而发挥系统性能优势，借此得到高质量光谱。因此，通过简单高效的途径，就能控制太赫兹脉冲的载波包络相位，借此实现对于隧道结中近场太赫兹时间波形的主动控制，同时这也是发展超快原子级分辨技术的必备阶段。通常，超短脉冲的载波包络相位，必须通过反馈技术来稳定。除少数例子外，比如用双色场激光等离子体产生的太赫兹辐射源，大多数商业化设备产生的太赫兹脉冲的载波包络相位都是锁定的，例如人们常用的光整流技术生成的太赫兹脉冲。多个太赫兹偏振元件组成的复杂装置，可用于控制太赫兹脉冲的载波包络相位。然而，鉴于菲涅耳反射带来的损耗，致使其插入损耗很大，故无法被广泛应用。另外，在太赫兹波段，大部分天然材料的色散响应较弱、双折射系数较小，很难被设计成相应的载波包络相位控制器件，因此无法用于具有宽频率成分的太赫兹脉冲。与天然材料相比，超材料是一种由亚波长结构衍生而来的、具有特殊光学特性的人工材料，其对电磁波的色散响应和双折射系数，均可进行人为定制。虽然超材料技术发展迅猛。但是，由于近单周期太赫兹脉冲的宽带特性，利用超材料对太赫兹脉冲的载波包络相位进行控制，仍是一件难事。为解决这一难题，王天武用超材料制备出一款芯片——即柔性太赫兹载波包络移相器，专门用于控制太赫兹脉冲的载波包络相位。该芯片由不同结构的超材料阵列组成，可在亚波长厚度和不改变太赫兹电场极化的情况下，实现对太赫兹载波包络相位的消色差可控相移，其对太赫兹脉冲的载波包络相位的相移调制深度高达 2π。相比传统的太赫兹载波包络相位移相器，该移相器具有超薄、柔性、低插损、易于安装和操作等优点，有望成为太赫兹扫描隧道显微镜系统的核心部件。近日，相关论文以《基于超材料的柔性太赫兹载波环移相器》（Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials）为题发表在 Advanced Optical Materials 上，李彤和全保刚分别担任第一和第二作者，王天武和空天信息创新研究院方广有研究员担任共同通讯作者。▲图 | 相关论文（来源：Advanced Optical Materials）审稿人认为：“此研究非常有趣、简明扼要，研究团队完成了一套完备的工作体系。该芯片的设计和实现，为调控太赫兹的载波包络相位提供了新的解决方案。”2. 建立国际领先的太赫兹科学实验平台据介绍，王天武所在的研究院，围绕制约人类利用太赫兹频谱资源的主要科学问题和技术瓶颈，致力于形成一批引领国际的原创性理论方法和太赫兹核心器件技术，以建立国际领先的太赫兹科学实验平台。他说：“太赫兹扫描隧道显微镜是我们院的一大特色，该设备摒弃了此前施加电压的方式，以太赫兹为激发源，去激发探针尖端和样品之间的间隙，从而产生隧穿电流并进行成像。相关技术在国内属于首创，在国际上也处于领先水平。”在诸多要克服的困难中，太赫兹载波包络相位的调制便是其中之一。入射太赫兹的相位大小对激发的隧穿电流的幅值、相位等信息影响甚大，是提高设备时间和空间分辨率必须要解决的重要问题之一。由于设备腔体比较长，并且腔体内部为高真空环境，与外界空气是隔绝的。传统的太赫兹相位改变方式比较难以实现，因此需要研发新型的相位调制器件。而该课题立项的初衷，正是希望找到一种结构简单、但是对太赫兹载波包络相位调制效率高的方法和装置，以便更好地服务于太赫兹扫描隧道显微镜系统。在文献调研的初始阶段，该团队商定使用超材料来制作太赫兹相位调制器。具体来说，其利用特定的金属分裂环谐振器的几何相位、以及共振相位，来控制太赫兹脉冲的载波包络相位值。之所以选择金属分裂环谐振器作为基本相控单元，是因为在一定条件下，它对太赫兹具有宽谱响应。当任意方向的线偏振波与谐振器耦合时，入射电场分量可映射到平行于谐振器对称轴和垂直于谐振器对称轴，借此可以激发谐振器的对称本征模和反对称本征模。此时，通过改变金属分裂环谐振器的几何相位和共振相位，散射场的某一偏振分量的电场相位会相应延迟，大小可以轻松覆盖 0-2π。但是，由于存在电偶极子的双向辐射，导致金属分裂环谐振器存在明显的反射和偏振损耗。为此，课题组引入了一对正交的定向光栅，利用多光束干涉的方式解决了谐振器插入损耗大的问题。随之而来的另一难题是，由于正交光栅的存在，导致入射波和透射波之间的电场偏振始终是垂直的，在太赫兹扫描隧道显微镜系统的工作中，这是不被允许的。好在样品均是由互易材料制成的，于是这一问题很快迎刃而解。随后，该团队采用常规紫外光刻、电子束沉积以及聚酰亚胺薄膜上的剥离技术，制备出相关样品，并利用太赫兹时域光谱系统，对所制备的样品性能进行表征。当入射的太赫兹脉冲，依次被样品中不同的微结构阵列调制时，研究人员通过太赫兹时域光谱测量，清晰观察到了太赫兹脉冲的时间波形的变化，且与仿真结果十分吻合。此外，课题组还在广角入射和大样品形变时，验证了该样品的鲁棒性。总而言之，该成果为宽带太赫兹载波包络相位的控制，提供了一种新型解决方案，并在不改变太赫兹电场极化的情况下，利用“超材料”在亚波长厚度的尺度上，实现了针对宽带太赫兹载波包络相位的消色差可控相移。关于这一部分成果的相关论文，也已发表在《先进光学材料》期刊。（来源：Advanced Optical Materials）据介绍，此次芯片能把太赫兹的相位最高移动至 2π 大小，并且具有大的光入射角度和良好的柔韧性等优点，在太赫兹扫描隧道显微镜系统，以及其他相关领域有较高的应用价值。但是，该芯片目前仍存在一个缺点，即无法做到太赫兹载波包络相位的连续调制。这是由于，采用的金属分裂环谐振器是单次加工制成的，所能调制的几何相位和共振相位已经确定，无法再被人为改变。因此，使用过程中只能通过加工特定结构的芯片，来实现所需相位的调制。未来，该团队打算将当下比较热门的二维材料、相变材料、液晶材料等材料集成到芯片中，这些材料的优势在于光学性能可被人为改变。同时，其还将综合电、光、热等手段，实现金属分裂环谐振器几何和共振相位的主动控制，从而实现对太赫兹脉冲的连续载波包络相位调制。此外，课题组也会继续优化微加工工艺和原料制备流程，进一步提升芯片的综合性能指标，比如器件的低插入损耗、高工作带宽等，同时也将降低制造成本，以便后续的产业化推广。

近日，美国布朗大学物理系的Angela Pizzuto等人完成了第一个使用蓝光的扫描近场显微镜的实验演示。通过410纳米的飞秒脉冲，研究人员直接从体硅中产生太赫兹脉冲，以纳米级的分辨率进行空间分辨，这些信号提供了使用近红外激发无法获得的光谱信息。他们开发了一个新的理论框架来解释这种非线性相互作用，使得材料参数的精确提取成为可能。这项工作为使用扫描近场显微镜方法研究技术上相关的宽带隙材料建立了一个可能的新领域。上世纪90年代中期，散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的出现，改变了亚波长光学领域。这种技术涉及到将电磁辐射耦合到一个尖锐的亚波长金属尖端，并随后在远场测量从该尖端-样品交界处散射的辐射。在过去的十年里，这种近场测量的方法在光谱的红外和太赫兹区域产生了显著的影响。基于孔径的亚波长光谱学方法是具有挑战性的，随着波长的增加，入射波与金属尖端的耦合变得更容易，而空间分辨率仍然受到尖端尺寸的限制。关于短波长辐射与纳米级尖端的耦合是一项艰巨的任务，阻碍了对重要的宽带隙材料的纳米级研究，如硅和氮化镓等。这些材料已经用低于带隙的激发方式在近场进行了线性光学研究。将纳米级的非线性光学方法应用于其他材料已比较成熟，但由于将该方法应用于这些高度相关的材料系统一般需要更高的能量光激发，至今还没有实现。布朗大学的Angela Pizzuto等人描述了一个入射光子能量超过3eV的扫描近场光学显微镜测量。使用410纳米的飞秒脉冲，研究人员照亮了一个锋利的金属原子力显微镜（AFM）尖端，并通过二阶非线性光学过程诱导来自几种不同材料的太赫兹发射，以实现具有纳米级空间分辨率的激光太赫兹发射显微镜（LTEM）。由于宽直接带隙以上的双光子激发，泵浦光子的高能量使大块晶体硅的强太赫兹发射成为可能。激光太赫兹发射显微镜的特性导致了对光学对准的要求大大放宽；传统的线性扫描近场光学显微镜使用纳米尖来限制入射波，这种聚焦短波长辐射在纳米尖下的精确对准实际上是有挑战性的。在实验中，通过对一小部分的宏观光生太赫兹偶极子的外耦合，可以获得纳米级的分辨率，研究人员首次实现了在扫描近场光学显微镜中使用紧密聚焦的蓝光。他们得到了第一个硅的近场激光太赫兹发射显微镜图像，并将结果与太赫兹扫描近场光学显微镜通过尖端的太赫兹脉冲的弹性散射获得的结果相比较。图1是激光路径和扫描近场光学显微镜实验装置示意图。近红外、蓝光和太赫兹光束分别产生，其中太赫兹脉冲使用传统的光电导天线产生，所有的三束光重叠并耦合到原子力显微镜中。散射或发射的太赫兹脉冲在另一侧通过自由空间电光采样进行相干检测。图1 实验装置示意图为了说明在宽带隙材料中使用激光太赫兹发射显微镜的价值，研究人员使用硅片作为样品，它在近红外激发下不会发出明显的太赫兹辐射。该硅片有一个小的区域，受到了离子注入，随后的退火激活了这个区域注入的掺杂物。这样硅片包含两个掺杂密度非常不同的区域，它们之间有一个清晰的边界。研究人员对这个边界区域进行了线性和非线性测量，并对结果进行比较。图2 硅样品的太赫兹辐射。（a）太赫兹脉冲 （b）太赫兹脉冲峰峰值与泵浦光束的平均功率之间的关系首先，当用超快蓝光泵浦时，未注入的基底和注入的区域都会发出太赫兹脉冲。图2a显示了由蓝光激发的THz脉冲，在探针敲击频率的二次谐波处解调得到的结果。可以观察到，轻度掺杂的基底比重度掺杂的植入区域产生明显更多的太赫兹发射。为了更好地理解太赫兹的产生机制，研究人员测量了发射的太赫兹峰峰值与蓝色泵浦光束的平均功率之间的关系，如图2b所示。当功率在大约2 mW以上，太赫兹发射强度受蓝光功率增加的影响较小；事实上，一旦泵浦通量足够高，很大一部分可用的电荷载流子将被光激发，任何多余的泵浦光子将被高的局部导电性屏蔽。由图2b中的插图可以看出，发射的太赫兹场的振幅和泵浦光功率之间有一个明显的二次方关系。这表明THz产生的主要机制是双光子吸收；价带中的载流子吸收了超过6 eV的泵浦能量，并被激发到远高于块状Si的宽4.2 eV的直接带隙之上。该实验结果为扫描近场光学显微镜方法在宽带隙材料上的应用提供了新的可能性。

p 　　近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心在生物大分子太赫兹近场成像光谱仪研究中获得进展，相关结果以《基于扫描探针显微镜的近场超空间分辨指纹光谱技术研究现状》为题在《红外与毫米波》期刊上进行发表。 /p p 　　在中国科学院科研装备项目的支持下，该团队开展了生物大分子太赫兹成像光谱仪的研制工作，欲利用金属化纳米探针在纳米级针尖附近形成的局域增强太赫兹波来照射生物大分子，从而能突破光学衍射极限实现对纳米级大小的生物大分子进行成像。 /p p 　　目前，该研究利用可见的氦氖激光对不可视太赫兹波主体光路(图1)的准直、聚焦状态进行精准的辅助调节，已完成了对近场太赫兹波信号相干放大的迈克尔逊干涉仪的调试，实现了利用外部信号发生器来驱动金属化原子力探针在垂直方向做周期的机械运动，获得了金属化原子力探针与铝基底的太赫兹光谱(图2)。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img style=" FLOAT: none" title=" 111.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201509/insimg/88d7a724-d2b9-455e-9c3f-828584592b50.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" & nbsp /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 　　图1 基于连续波太赫兹源的太赫兹近场成像系统原理图 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img style=" WIDTH: 549px FLOAT: none HEIGHT: 416px" title=" 222.jpg" border=" 0" hspace=" 0" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201509/insimg/942e5038-8282-4a4d-865f-c824014c3659.jpg" width=" 549" height=" 416" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 　　图2 金属探针与铝基底的太赫兹光谱 /p p /p

2022年2月，中国科学院空天信息研究院（广州园区）-广东大湾区空天信息研究院（以下简称“大湾区研究院”）成功研制出太赫兹扫描隧道显微镜系统，实现了优于原子级（埃级）的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率，为国内首套自主研制的太赫兹扫描隧道显微镜系统。扫描隧道显微镜（STM）是一种用于观察和定位单个原子的扫描探针显微工具。通过原子尺度的针尖，在不到一个纳米的高度上，对不同样品进行超高精度扫描成像。STM在低温下可以利用探针尖端精确操纵单个分子或原子，不仅是重要的微纳尺度测量工具，也是颇具潜力的微纳加工工具，在原子级扫描、材料表面探伤及修补、引导微观化学反应、控制原子排列等领域具有广泛应用。但是，传统的电学调制速率限制了STM在更高时间分辨率的观测（一般具有微秒量级的时间分辨率）。2013年，加拿大阿尔伯塔大学Frank Hegmann教授，首次将太赫兹脉冲和STM结合，实现了亚皮秒时间分辨和纳米空间分辨，随后德国、美国等著名科研团队纷纷开展相关技术研究。但我国在该领域的研究一直处于空白。大湾区研究院太赫兹研究团队历时近12个月，突破了太赫兹与扫描隧道针尖耦合、太赫兹脉冲相位调制等核心关键技术，成功研制出国内首台太赫兹扫描隧道显微镜（THz-STM），具有埃级空间分辨率和亚皮秒时间分辨率（提升100万倍以上），可同时实现高时间和空间分辨下的精密检测（飞秒-埃级），为进一步揭示微纳尺度下电子的超快动力学过程提供了强有力的技术手段，可用于新型量子材料、微纳光电子学、生物医学、超快化学等诸多领域，有望取得具有重要国际影响力的原创性科研成果。该研究得到国家自然科学基金委太赫兹基础科学中心、广东省科技厅、广州市、黄埔开发区等相关项目的资助。 THz-STM系统硅重构表面原子分辨（左），金表面原子分辨（右）

近日，中国科学院空天信息研究院（广州园区）-广东大湾区空天信息研究院（以下简称“大湾区研究院”）成功研制出太赫兹扫描隧道显微镜系统，实现了优于原子级（埃级）的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率，成为国内首套自主研制的太赫兹扫描隧道显微镜系统。THz-STM系统扫描隧道显微镜（STM）是一种用于观察和定位单个原子的扫描探针显微工具，通过原子尺度的针尖，在不到一个纳米的高度上，对不同样品进行超高精度扫描成像。STM在低温下可以利用探针尖端精确操纵单个分子或原子，不仅是重要的微纳尺度测量工具，也是颇具潜力的微纳加工工具，在原子级扫描、材料表面探伤及修补、引导微观化学反应、控制原子排列等领域广泛应用。但是，传统的电学调制速率限制了STM在更高时间分辨率的观测（一般具有微秒量级的时间分辨率）。2013年，加拿大阿尔伯塔大学教授Frank Hegmann，首次将太赫兹脉冲和STM结合，实现了亚皮秒时间分辨和纳米空间分辨，随后德国、美国等科研团队纷纷开展相关技术研究。大湾区研究院太赫兹研究团队历时近12个月，突破了太赫兹与扫描隧道针尖耦合、太赫兹脉冲相位调制等核心关键技术，成功研制出国内首台太赫兹扫描隧道显微镜（THz-STM）。该显微镜具有埃级空间分辨率和亚皮秒时间分辨率（提升100万倍以上），可同时实现高时间和空间分辨下的精密检测（飞秒-埃级），为进一步揭示微纳尺度下电子的超快动力学过程提供了强有力的技术手段，可用于新型量子材料、微纳光电子学、生物医学、超快化学等领域。该研究得到国家自然科学基金委太赫兹基础科学中心、广东省科学技术厅、广州市、黄埔开发区等相关项目的资助。THz自相关脉冲和THz-STM电流信号硅重构表面原子分辨和金表面原子分辨

太赫兹（THz）辐射频率处于电子学和光学频率之间，因此具备多种光电子特性。THz成像作为THz辐射最重要的应用方面，在国防、通信、生物、医学和材料有着巨大应用潜力。THz 时域光谱系统（THz-TDS）被广泛用于角膜含水量测量、角膜瘢痕成像、蛋白浓度检测和细胞标志物检测等。然而受限于衍射极限存在，THz成像分辨率一般被限制在毫米量级。近场光学成像技术使用空间尺度极小探针直接探测样品表面亚波长尺度细节，可有效突破衍射极限，是实现THz超分辨成像的重要路径。目前，根据探针工作方式的区别，THz近场成像技术可分为孔径探针THz近场成像和散射探针THz近场成像。孔径探针THz近场成像方案需要平衡空间分辨率、截至频率和近场耦合效率之间关系，其成像分辨率仍无法突破至nm量级。散射探针THz近场成像分辨率与探针几何结构和探针-样品表面距离有关，截至目前其成像分辨率可以突破至0.3 nm。本文综述了THz超分辨成像的基本原理及最新进展，围绕孔径探针和散射探针两种主流的THz近场成像技术，详述其在成像原理、成像质量与成像分辨率等方面的突破，并对THz超分辨成像做出总结与展望。图1 THz近场成像及其应用场景孔径探针孔径探针THz近场成像主要利用亚波长结构形成THz辐射源或THz探测器在近场范围内扫描样品表面提升成像空间分辨率。依据孔径类型分类，孔径探针THz近场成像共有四种技术路线，分别是物理孔径、动态孔径、人工表面等离子激元和近场天线。物理孔径探针通常为锥形波导，可以将THz辐射局域成亚波长THz辐射源并扫描样品，提升空间分辨率。其优势在于：结构简单制备容易，可根据THz源设计波导几何结构提升THz耦合效率。图2 锥形物理孔径THz近场成像示意图动态孔径THz成像系统主要有两种实现方式。一种是基于光泵浦方案，该方案激发半导体材料形成特定分布的载流子，进而调制THz空间分布。另一种是基于飞秒激光成丝方案，该方案应用光丝对THz辐射强束缚作用，或是应用交叉光丝，形成动态微孔调制THz空间分布。动态孔径技术优势在于，一方面可以和压缩感知技术结合在保证空间分辨率情况下极大提升成像速度，另一方面基于飞秒激光光丝可以进一步提升成像分辨率至20 μm。图3 交叉光丝形成动态孔径实现THz近场成像人工表面等离子激元器件表面具有周期结构，通过改变材料表面等效介电常数实现THz波近场聚焦。常规调制方案包括金属锥形结构聚焦探针、金属周期结构THz超透镜和石墨烯THz超透镜等；其适用波长范围广、聚焦效率高具有一定的应用前景，尽管目前还处于实验室阶段，但是随着THz器件加工技术逐渐发展，相信在不久的将来其实用性会得到提升。图4 人工表面等离子激元器件实现THz近场成像近场THz天线这是一种微型近场THz探测器，优势为在提升空间分辨率同时能够保证时间分辨率，另一方面THz近场天线可以被集成至片上，拓宽了其使用场景。 图5 近场天线实现THz近场成像散射探针散射探针THz近场成像系统，是通过测量探针与样品表面在外场作用下的近场耦合效应反映样品表面信息。其适用于宽谱THz光源，成像空间分辨率与探针几何结构和探针-样品表面间距有关最高可以达到0.3 nm量级。由于背景散射信号强度远大于近场散射信号强度，散射探针THz近场成像系统主要技术难点在于信号收集与提取。目前，较为成熟的近场散射信号提取技术包括：自零差方案、正交零差方案、伪外差方案和合成光学全息方案等。在保障扫描时间的前提下，伪外差方案成像对比度高且具备相位分辨能力，因此被广泛采用。散射探针THz近场成像系统通常使用扫描隧道显微镜或者原子力显微镜作为提供近场条件的媒介，可将探针针尖与样品表面间距精确控制在20 nm范围内。基于扫描隧道显微镜的散射THz近场成像系统优势：1）其空间分辨率最高可以提升至0.3 nm；2）基于扫描隧道显微镜增强隧穿电流原理，可以增强近场散射信号。缺点：扫描隧道显微镜是通过测量针尖与样品表面隧穿电流实时反馈控制针尖与样品表面间距，故此种方案不适用于不导电样品。图6 基于扫描隧道显微镜搭建的近场成像系统及其一维扫描结果图基于原子力显微镜的散射THz近场成像系统原子力显微镜，因其和扫描隧道显微镜类似，具有卓越的空间分辨能力，是搭建散射探针THz近场成像系统的主力设备，同时能够通过检测针尖与样品之间相互作用反馈控制针尖和样品间距，故该系统可以适用于多种样品。图7 基于原子力显微镜搭建的近场成像系统及其扫描结果图散射探针THz近场成像不仅可以将THz成像分辨率提升至nm量级，还可以被应用于检测样品表面载流子运动。与光学波段和红外波段成像技术相比，有掺杂的半导体或者半金属材料对THz波段更加敏感，因此散射探针THz近场成像技术还被应用在nm量级表征载流子数目和分布情况。 总结与展望随着强THz产生技术和高灵敏THz探测技术的不断发展，超分辨THz成像技术得到了长足发展。孔径探针和散射探针THz成像方案各有侧重，在不同领域得到广泛应用。根据以上总结，从应用角度出发对近场THz成像技术作出展望：(1)成像速度。目前大多数超分辨THz成像方案都是采用逐点扫描模式，尽管成像分辨率得到很大提升，但是成像速度较慢。(2)装置集成化与轻量化。高效的桌面式近场THz成像系统能够助力此项技术得以推广。(3)样品多样性。目前，nm量级THz近场成像技术主要被应用于材料学研究，未来可以充分发挥THz辐射优势，将检测样品扩展至生物大分子甚至活体。(4)大范围成像。未来可以在平衡成像质量与成像速度前提下，实现nm量级大范围样品成像。综上所述，本文概括了超分辨近场成像技术的多个技术指标，分别是空间分辨率、时间分辨率、相位分辨能力、成像速度、成像对比度和装置复杂性。在保证空间分辨率的前提下，提升其他技术指标仍然任重而道远。

蛋白分子膜（蛋白膜）在生物传感和生物材料领域应用广泛。从纳米尺度精确检测蛋白分子的成膜过程，对控制蛋白膜的品质、理解其形成机制和评价其功能表现具有重要意义。然而，目前尚缺少一种能够精确表征蛋白分子在成膜过程中所有形态结构的技术手段，例如，原子力显微镜虽然具有优异的表面成像功能，但是它难以提供样品的亚表面信息，无法揭示蛋白分子层的内部结构信息。      　　近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员王化斌团队和上海大学材料生物学研究所教授李江团队等合作，报道了一种同时具有表面和亚表面探测能力的纳米级分辨太赫兹形貌重构显微技术。研究团队发展了多介质层有限偶极子近场理论模型，建立了基于样品太赫兹近场光学显微图像重构样品三维形貌的方法，实现了单个蛋白分子、蛋白网状结构、蛋白单分子层和蛋白复合层的精确检测。太赫兹形貌重构显微技术具有无损、无标记的特点，以及表面和亚表面检测能力；其侧向分辨率与原子力显微镜相当，垂直分辨率达0.5 nm。该技术为研究生物分子、功能材料和半导体器件等样品提供了一种全新的技术途径。相关研究成果以Near-Field Terahertz Morphological Reconstruction Nanoscopy for Subsurface Imaging of Protein Layers为题，发表在ACS Nano上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、重庆市自然科学基金等的支持。

项目名称：上海交通大学太赫兹光耦合扫描隧道显微镜项目编号：0773-2341SHHW0045招标范围：设备名称： 太赫兹光耦合扫描隧道显微镜 数量：1套招标机构：中金招标有限责任公司招标人：上海交通大学开标时间：2023-06-20 09:30公示时间：2023-06-21 16:58 - 2023-06-25 23:59中标结果公告时间：2023-06-26 10:48中标人：束蕴仪器（上海）有限公司制造商：CreaTec Fischer & Co. GmbH制造商国家或地区：德国

近期，西班牙光子科学研究所（ICFO）的 Marco Polini教授和Frank H. L.Koppens教授在《Science》上发表了题为：Tuning quantum nonlocal effects in graphene plasmonics的文章。 在本篇文章中，研究者利用散射式近场光学手段，对石墨烯-(h-NB)-金属复合体系表面进行了纳米尺度下的精细扫描，由此观测到了太赫兹波段下的石墨烯等离子体以近费米速度进行传播。研究发现，在慢的速度（数百倍低于光速）下，石墨烯等离子的非局域响应得以探测，通过近场成像能够以无参数匹配手段清晰地揭示无质量的Dirac电子气体的量子描述，进而展示了三种类型的非局域量子效应，即单粒子速率匹配，相互增强费米速率和相互减弱压缩性。 通过该近场光学的研究方法，研究者终提供了确定电子体系的全时空反应的新途径。 图1 太赫兹散射式近场光学显微镜及光电流测试结果 在国外用户取得科研成果的同时，国内学者也是“喜讯频传”，科研工作不断收获国际杂志肯定。截止今年6月，国内用户仅在今年发表文章7篇，其中苏州大学用户关于有机钙钛矿太阳能材料的研究被Advance Materials（影响因子19.79）收录，中山大学用户和苏州大学用户关于石墨烯纳米结构、石墨烯等离子体的研究被nature子刊Light：Science & Application(影响因子13.6)收录。至此，neaspec国内用户自2015年底至今，已在国际学术期刊发表文章共计13篇，其中影响因子大于10的文章数目有6篇。图2 近两年国内学者研究成果 在《Science》正文后，作者严正申明：“R.H. is cofounder of Neaspec GmbH, a company producing scattering-type scanning near-field optical microscope systems such as the ones used in this study.” Hillenbrand教授进一步指出“这可能只是近场纳米视觉新时代的开始”。相关产品链接 太赫兹近场光学显微镜 — THz-NeaSNOM http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C270098.htm纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C194218.htm超高分辨散射式近场光学显微镜http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C170040.htm

重大的科学突破往往是由新技术和仪器实现的。一种新型的近场光学显微镜，在极端温度和磁场下具有高分辨率成像，可以为量子计算技术和拓扑研究做到这一点。Kim等人提出了一种sub-2开尔文低温磁赫兹散射型扫描近场光学显微镜（cm-THz-sSNOM）。太赫兹sSNOM成像使用照射在小金属尖端上的300微米波长光在纳米尺度上绘制材料，允许以深亚波长，20纳米空间精度测量局部材料特性 - 比所用光的波长小15，000倍。经过几年的努力，研究人员能够展示出一种改进的sSNOM平台，该平台在极端操作条件下具有无与伦比的分辨率能力。“我们在空间，时间和能量方面提高了分辨率，”作者Jigang Wang说。“我们还同时改进了在极低温度和高磁场下的操作。显微镜是通过测量超导体和拓扑半金属来展示的。结果显示了在1特斯拉磁场中9.5开尔文的第一个高分辨率sSNOM图像。显微镜可以帮助开发具有更长相干时间的新量子比特 - 目前受到材料和界面缺陷的限制 - 并提高对拓扑材料基本性质的理解。“重要的是成像到十亿分之一米，千万亿分之一秒和每秒数万亿个光波，以便能够选择更好的材料并指导量子和拓扑电路的制造，”王说。尽管显微镜已经展示了破纪录的测量结果，但研究人员的目标是通过提高灵敏度并使SUV大小的显微镜更加用户友好来进一步改进仪器。相关文章：“A sub-2 kelvin cryogenic magneto-terahertz scattering-type scanning near-field optical microscope (cm-THz-sSNOM),” by R. H. J. Kim, J.-M. Park, S. J. Haeuser, L. Luo, and J. Wang, Review of Scientific Instruments (2023). The article can be accessed at https://doi.org/10.1063/5.0130680.文章展示了研究人员开发的一种多功能近场显微镜平台，可以在高磁场和液氦温度以下工作。研究人员使用该平台演示了极端太赫兹（THz）纳米显微镜的操作，并在低至1.8 K的温度、高达5 T的磁场和0–2 THz的操作下获得了第一个低温磁太赫兹时域纳米光谱/成像。低温磁太赫兹散射型扫描近场光学显微镜（或cm THz-sSNOM）仪器由三个主要设备组成：（i）带有定制插件的5T分对磁低温恒温器，（ii）能够接受超快THz激发的定制sSNOM仪器，以及（iii）MHz重复率，用于宽带太赫兹脉冲产生和灵敏检测的飞秒激光放大器。应用cm THz sSNOM来获得超导体和拓扑半金属的原理测量证明。这些新能力为研究需要极端低温操作环境和/或在纳米空间、飞秒时间和太赫兹能量尺度上施加磁场的量子材料提供了突破。

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2016年6月30日，Quantum Design中国子公司引进德国Neaspec公司的高分辨率散射型近场光学显微镜（NeaSNOM）样机并完成安装测试。该样机实验室可对相关领域科学 研究工作者提供真机体验服务，欢迎广大学者拨打010-85120280，或者致信neaspec@qd-china.com预约体验。Quantum Design中国子公司NeaSNOM近场光学显微镜样机实验室 Neaspec公司的NeaSNOM系统是市场一款散射型扫描近场光学显微镜。其化的散射式核心设计技术，打破了传统光学显微镜对入射激光波长的 依赖限制，大的提高了光学分辨率，在可见、红外和太赫兹光谱范围内实现了空间分辨率优于10nm的光谱和近场光学图像的测量。NeaSNOM系统中 化的照射、收集模块，确保了近场光学显微镜和谱图的可靠性和可重复性，使其成为了纳米光学领域等离子激元、FTIR和太赫兹等热点方向的科研设备。 NeaSNOM 典型应用案例： 1. 纳米结构等离子激元（Plasmonic）研究 2. Nano-FTIR对纳米结构不同材料组分分析 3. 太赫兹对单个晶体管中载体浓度分布成像 更多信息请点击：http://www.instrument.com.cn/netshow/C170040.htm 相关产品： 纳米傅里叶红外光谱仪 Nano-FTIR---具有10nm空间分辨率的纳米红外光谱仪

1. 中国科学院 重庆绿色智能技术研究院 Zhongbo Yang等Near-Field Nanoscopic Terahertz Imaging of Single Proteins. Small. Figure 1. Schematic illustration of the THz s-SNOM setup and its use for single biomolecule imaging. Figure 2. THz near-field signals collected on different substrates. a) Time-domain THz electric field signals, and b) corresponding frequency-domain signals collected on graphene, Au, Si, and mica surfaces, respectively. The signals were demodulated at the second harmonics (2 Ω) of the probe oscillation frequency. c,d) The AFM topography images of graphene and Au substrates with 200 × 200 pixels, respectively. The height scale bars of (c) and (d) are the same. 摘要：太赫兹生物成像因其能以无标记、无创伤和非电离的方式获取样品的物理化学信息而颇受瞩目。但是，低介电常数生物分子的反射率问题，使得单分子精度的太赫兹成像仍是一个挑战。针对于此，作者开发了一种方法，利用石墨烯介导的太赫兹频率散射型扫描近场光学显微镜，对单个蛋白分子直接成像。此项研究发现，拥有较高太赫兹反射率和原子平整度的石墨烯基底可以为蛋白分子提供较高的太赫兹对比度。另外，我们还发现对铂探针的轴长优化能增强太赫兹散射近场信号中的振幅信号强度。基于这两个效应，作者同时获得了尺寸只有数纳米的免疫球蛋白G（IgG）和铁蛋白分子的形貌以及太赫兹散射图像。本文中所用的方法为单生物分子的太赫兹成像提供了新思路。2. 华中科技大学 Chao Chen等Terahertz Nanoimaging and Nanospectroscopy of Chalcogenide Phase-Change Materials. ACS Photonics 2020.Figure 2. THz near-field setup and imaging experiments. (a) Schematics of the THz s-SNOM setup with a bolometer usedas a detector. The inset shows an illustration of the finite dipole model for the layered sample. (b) Approach curve, showing the amplitude signal s2 on c-GST as a function of tip–sample distance. The mark h1/e represents the position at which the signal decays to 1/e of its maximum. The inset displays an optical microscope image of the AFM tip above the sample. The red dotted squares mark the c-GST areas. (c) AFM topography image (top panel) of GST on a silicon oxide substrate, which includes amorphous and crystalline states. Near-field amplitude (s2, middle panel) and phase (φ2, bottom panel) images at 1.89 THz. (d) Topography, (e) near-field amplitude, and (f) phase line profiles (shown as solid symbols) taken from the corresponding images in c. The red solid lines are smoothedcurves based on the experimental data. Horizontal dashed gray lines are a guide for the eye. 摘要：硫属化物相变材料（PCMs）在太赫兹（THz）频率下会发生光学声子共振现象，这个效应可被用于研究相变的基本特性，并产生很强的介电对比度，使其可被用于太赫兹的光子学应用。在本文中，我们证明可以通过频率可调的太赫兹散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）研究PCM的声子。其具体方法为对包含非晶相和结晶相的PCM样品进行太赫兹纳米光谱成像。我们观察到材料的声子特征使其产生了很强的s-SNOM信号，以及重要的是，非晶态和结晶态PCM的光谱之间存在明显的差异，这使我们可以在纳米尺度上高信度地区分PCM的不同相。我们还发现可以通过增加针的半径来增强以信号强度和频谱对比度为标志的光谱特征。综上所述，我们用太赫兹s-SNOM成功构建了基于局部声子光谱的纳米结构以及化学组成的图谱。3. 中国地质大学-武汉 Zhigao Dai等人Edge-oriented and steerable hyperbolic polaritons in anisotropic van der Waals nanocavities. Nat. Commun..Figure 1. a Schematic diagram of edge-tailored PhPs in α-MoO3. The edge orientation is defined as angle θ with respect to the [001] direction. Green arrows indicate the incident PhPs waves launched by the laser-illuminated (purple curve arrows) AFM tip and reflected by the edge (red line). b Angle-dependent ke isofrequency contour of PhPs in α-MoO3 at ω = 889.8 cm−1. The solid lines and points stand for experimental results concluded from Fig. 1c. The green and black dotted arrows illustrate the incidence wavevector ki and Poynting vector Si, respectively. Generally, ki and Si are non-collinear. The reflected Poynting vector Se (solid arrows) is not parallel to the reflected wavevector ke (different color solid arrows) but antiparallel to Si. σ is the open angle. c Real-space imaging of edge-tailoring PhPs at angle-dependent α-MoO3 edges (length L: 2.5 µm width W: 200 nm sample thickness d: 210 nm, L andW defined in the Ed1). d s-SNOM line traces along the direction perpendicular to the edges in Ed1-Ed5. e Near-field amplitude s(ω) of PhPs on isosceles triangle α-MoO3 nanocavities with bottom edge perpendicular to the [001] crystal direction (height length: 4.33 μm thickness: d = 175 nm) The angles between adjacent sides of the series of triangles with respect to the [001] direction are approximately 7.5°, 15°, 30°, 45°, and 60°, respectively. 摘要：高度受限和低损耗的化子在石墨烯和六方氮化硼上是沿平面各向同性传播的，这使得对光的控制被限制在了有限的自由度内。而以α-MoO3 and V2O5为代表的新兴双轴范德华材料则展现出了特的化传播特性，它们的辅助光轴是在平面上的。利用这种强平面各向异性，作者通过空间纳米成像观测到了α-MoO3纳米腔的图样内有着受边界导向的双曲化子。并且发现边界的夹角和结晶方向对其光学响应信号有着举足轻重的影响，这对调整化图样的参数是至关重要的。基于此，通过调整α-MoO3纳米腔的几何构型，我们观测到了双曲化子会延边界传播并且会调整自身传播方向的特性以及与之对应的化子绕行禁区。而这种双曲化子的寿命和性能指数则受到纳米腔边界宽高比的限制。4. 国防科学技术大学 Jiangyu Zhang 等人Light-induced irreversible structural phase transition in trilayer graphene. Sci. & App..Figure 4. Raman mapping and s-SNOM imaging of the light-induced structural phase transition in MLG. (a) Optical microscopy image of MLG sample #125. (b) AFM image and height profile of graphene. (c) Raman maps of the integrated G peak intensity (position: 1576 cm−1, width: 5 cm−1) before laser irradiation and (d) after laser irradiation. The laser power is 20 mW, and the exposure time is 34 min. (e) s-SNOM image of graphene after laser irradiation. (f) Magnified s-SNOM image of graphene. Graphene domains with different stacking orders show different contrasts in the s-SNOM image. The marked regions I, II, and III correspond to ABC stacking, ABA stacking and mixed ABC + ABA stacking domains, respectively. The red arrows in (e, f) highlight the additional mixed ABC + ABA stacking domains that were not resolved in the Raman maps. (g) Raman spectra of different graphene regions taken from the marked solid dots before laser irradiation and (h) after laser irradiation摘要：晶体结构对相关材料的物理性质有着深刻的影响。因此，即使化学组成相同（比如石墨烯和金刚石），我们也可以通过生成具有特定对称性的晶体，来很大范围内调整它们的特性。而当晶体的结构相可以通过外部刺激动态改变时，更多有意思的可能性出现在了我们面前。这样的材料特性虽不常见，但却能引发很多喜人的现象，例如相变记忆效应。具体到三层石墨烯，它有两种常见的堆叠结构（ABA和ABC），二者都具有特的电子能带结构，并展现出了与众不同的特性。而这两种堆叠结构的三层石墨烯里的畴壁，则展现出了新的迷人的物理效应，比如说量子谷霍尔效应。科研工作者在三层石墨烯的相工程上投入了大量的精力。不过，操纵畴壁以实现对材料局部结构和特性的调控仍然是一个难题。本文通过实验表明，通过激光照射可以实现结构相之间的转换，并在三层石墨烯中构建各种形状的畴壁。这种能够控制畴壁位置和方向的能力，使得我们能够更好地调整石墨烯的局部结构相和特性，并为可定制原子结构，电子以及光学特性的人造二维材料的生成提供了一种简洁且有效的路径。 5. 华中科技大学 Peining Li等人Collective near-field coupling and nonlocal phenomena in infrared-phononic metasurfaces for nano-light canalization. Nat.Commun..Figure 2. Near-field imaging of polariton evolution in a hBN metasurface. a Schematic of the near-field nanoimaging experiment. b, c Near-field images measured at two different frequencies, ω = 1415 cm−1 (HPhP region) and ω = 1510 cm−1 (EPhP region). White arrows indicate the polariton fringes observed on the metasurface. 摘要：通过光子耦合激发和偶物质激发所产生的化子可以沿具有双曲线色散或椭圆色散的各向异性超表面传播。而在双曲线色散与椭圆色散之间的转换过程中（对应拓扑结构的转换），有各种有趣的现象被观测到，比如光子态密度的增强、化子的沟道效应和超透镜效应。在本文中，作者从理论角度和实验角度分别研究了这种拓扑结构的转换，单轴红外声子超表面中的化耦合和其强烈的非局域响应信号，以及六方氮化硼 (hBN) 纳米带的光栅。 通过超高分辨红外10纳米成像，研究者观察到了六方氮化硼中余辉带里合成的横向光学声子的共振（即纳米带强烈的集体性近场耦合），这触发了从双曲线色散向椭圆色散的拓扑转换。作者还表征并可视化了跃迁频率附近深亚波长通道模式的空间演化，该模式作为一种准直化子为超透镜和无衍射传播打下了基础。6. 山西大学 PengjuYang 等人Rational electronic control of carbon dioxide reduction over cobalt oxide. J. Cat..Figure 2. (a) XPS Co 2p of Co3O4 and Co3O4/Al-1(1 wt% Co3O4), (b) XPS Al 2p of Co3O4/Al-1 and Al-1, (c-d) the S-SNOM optical image of Co3O4/Al-1(1 wt% Co3O4) and SNOM amplitude S3 of lines A-E.摘要：选择性地将二氧化碳(CO2)还原为燃料和化学品是通过碳中和发展可持续性能源经济的重点所在。而其中CO2的活化则是重中之重。考虑到电子迁移是这一过程的决速步骤，通过调节CO2还原催化剂的电子结构来增强其活性则显得更为关键。不过，人们对催化剂的电子特性与活性的内在关系的理解还不是很深入，这也限制了高效CO2还原催化剂的有理论支撑的设计。本文中，作者设计了一种以铝作为电子供体的催化剂-缘体-金属系统，并以此来调节氧化钴(Co3O4)催化剂的电子结构。这样，铝中的电子便可以高效地通过一种超薄且自主形成的Al2O3缘层穿入Co3O4。实验和理论结果毫无疑问确证了Co3O4的高电子密度有利于CO2的吸收和活化，并同时降低了COOH的生成能垒，尤其是CO*中间体的解吸能垒，这大大加速了CO2到CO的光还原反应的动力学进程。相比Co3O4，Co3O4/Al2O3-Al中的Co的周转频率要高出很多。其表观量子产率在420纳米处能高达3.8%，这一数字超越了大部分文献中对催化剂的记述。另外，Co3O4 中电子密度的提高也有效地抑制了析氢竞相反应。同时对CO的筛选性也从Co3O4的57.9%提高到了Co3O4/Al2O3-Al的82.4%。值得注意的是，通过控制Al的含量和粒径我们还可以合理调节催化剂的催化效率。综上，该项研究建立了催化剂的电子结构与其对 CO2 还原反应的催化活性之间的联系。并且，作者提出的这种Al2O3-Al结构，还有潜力成为其他非均相催化剂电子效应研究的全新平台。7. 中山大学 Yan Shen等人Pyramid-Shaped Single-Crystalline Nanostructure of Molybdenum with Excellent Mechanical, Electrical, and Optical Properties. ACS Appl. Mater. Interfaces. 12. 华中科技大学 Peining Li等人Nanoscale Guiding of Infrared Light with Hyperbolic Volume and Surface Polaritons in van der Waals Material Ribbons. Adv. Mater..Figure 4. Thickn

近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员王化斌团队和上海大学材料生物学研究所教授李江团队等合作，报道了一种同时具有表面和亚表面探测能力的纳米级分辨太赫兹形貌重构显微技术。蛋白分子膜（蛋白膜）在生物传感和生物材料领域应用广泛。从纳米尺度精确检测蛋白分子的成膜过程，对控制蛋白膜的品质、理解其形成机制和评价其功能表现具有重要意义。然而，目前尚缺少一种能够精确表征蛋白分子在成膜过程中所有形态结构的技术手段，例如，原子力显微镜虽然具有优异的表面成像功能，但是它难以提供样品的亚表面信息，无法揭示蛋白分子层的内部结构信息。研究团队发展了多介质层有限偶极子近场理论模型，建立了基于样品太赫兹近场光学显微图像重构样品三维形貌的方法，实现了单个蛋白分子、蛋白网状结构、蛋白单分子层和蛋白复合层的精确检测。太赫兹形貌重构显微技术具有无损、无标记的特点，以及表面和亚表面检测能力；其侧向分辨率与原子力显微镜相当，垂直分辨率达0.5 nm。该技术为研究生物分子、功能材料和半导体器件等样品提供了一种全新的技术途径。相关研究成果以Near-Field Terahertz Morphological Reconstruction Nanoscopy for Subsurface Imaging of Protein Layers为题，发表在ACS Nano上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、重庆市自然科学基金等的支持。

近年来，范德瓦尔斯（vdW）材料中的表面化激元(SP)研究，例如等离化激元、声子化激元、激子化激元以及其他形式化激元等，受到了广大科研工作者的关注，成为了低维材料领域纳米光学研究的热点。其中，范德瓦尔斯原子层状晶体存在特的激子化激元，可诱导可见光到太赫兹广阔电磁频谱范围内的光学波导。同时，具有较强的激子共振可以实现非热刺激（包括静电门控和光激发）的光波导调控。 前期的众多研究工作表明，扫描近场光学显微镜（SNOM）已经被广泛用于稳态波导的可视化表征，非常适合评估范德瓦尔斯半导体的各向异性和介电张量。 如上所述，范德瓦尔斯材料中具有异常强烈的激子共振，这些激子共振能产生吸收和折射光谱特征，这些特征同样被编码在波导模式的复波矢量qr中，鉴于范德瓦尔斯半导体在近红外和可见光范围内对ab-平面的光学化率有重大影响，因此引起了人们的研究兴趣。 2020年7月，美国哥伦比亚大学Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上发表了题为：”Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦尔斯半导体中的WSe2材料为例，利用德国neaspec公司的纳米空间分辨超快光谱和成像系统，通过飞秒激光激发研究了WSe2材料中光波导在空间和时间中的电场分布，并成功提取了飞秒光激发后光学常数的时间演化关系。同时，研究者也通过监视波导模式的相速度，探测了WSe2材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光学斯塔克（Stark）位移。 原文导读： ① 在纳米空间分辨超快光谱和成像（tr-SNOM）实验中（图1，a），研究者先将Probe探测光（蓝色）照到原子力显微镜（AFM）探针的点上，从探针点（光束A）散射回的光被离轴抛物面镜（OAPM）收集并发送到检测器。同时，WSe2材料的中的波导被激发并传播到样品边缘后，进而波导被散射到自由空间（光束B）。二个Pump泵通道（红色）可均匀地扰动样本并改变波导的传播。 通过在WSe2/SiO2界面处的近场tr-SNOM的振幅图像（图1b）可明显观察到约120 nm厚WSe2材料边缘（白色虚线）处形成的特征周期条纹—光波导电场分布。研究者进一步通过定量分析数据，分别获取了稳态和光激发态下，WSe2中波导的光波导的相速度q1,r和q1,p。图1：纳米空间分辨超快光谱和成像系统对WSe2材料中光波导的纳米成像结果。a:实验示意图（蓝色为Probe光，红色为Pump光）；b：近场纳米光学成像 c: 在稳态下，WSe2边缘的近场光学振幅图像；d: 光激发态下，延迟时间 Δt=1ps的WSe2边缘的近场光学振幅图像；e: 分别对c、d进行截面分析，获取定量数据。Probe探测能量，E=1.45 eV ② 研究者通过变化Probe探测能量范围（1.46–1.70 eV）及其理论计算成功获取了WSe2晶体稳态下的色散关系和理论数据显示A-exciton所对应的能量。图2：WSe2晶体稳态动力学的时空纳米成像研究。a: 不同Probe能量的近场光学振幅；b: 傅里叶变换（FT）分析 c: Lorentz拟合的WSe2块体材料介电常数面内组成；d: 基于Lorentz模型理论计算的能量动量分布（吸收光谱）。Probe探测能量，E 1.46–1.70 eV。 ③ 为了进一步研究光激发下WSe2中波导的色散和动力学，研究者进一步在90 nm的WSe2材料上，通过探测能量E = 1.61 eV，泵浦能量E = 1.56 eV，泵浦功率1.5 mW的实验条件进行了一列的纳米空间分辨超快光谱和理论研究。研究结果表明（图3a,b），研究者成功获取到了不同延迟时间Δt与δq2和δq1的关系。结果表明：光激发后的个ps内，虚部q2（图3a）突然下降（δq20）并迅速恢复。另一方面，理论计算结果（图3，c）显示了在A-exciton附近（黑色虚线箭头），初始能量Ex处，稳态（黑色虚线）和激发态A-exciton能量Ex’（蓝色箭头）分别的色散关系。 为了弄清各种瞬态机制，微分色散关系被研究者引入。先，研究者定义了微分关系：δqj=qj,p – qj,r，（j=1,2 分别代表波矢的实部和虚部，p, pump激发态，r 稳态）。研究者的理论及实验微分色散关系结果（图3 d、e）成功显示了光诱导转变中A-exciton的动力学行为。结果表明：A-exciton附近微分色散的特征是由两个伴随效应引起的：（i）仅在Δt=0时观察到的A-exciton的7 meV蓝移； （ii）A-exciton的漂白（定义为光谱频谱展宽和/或振荡强度降低（见图3d）。 趋势（i）在1 ps内恢复，与抑制耗散的动力学一致（图3a）。因此，研究者得出结论，A-exciton共振的瞬态蓝移是由于相干的光诱导过程所引起。 趋势（ii）持续时间更长，因此归因于非相干激子动力学。图3：WSe2中波导模的微分色散和动力学研究。a: δq2与Δt曲线；b: δq1与Δt曲线 c: 平衡和非平衡条件下洛伦兹模型计算的色散关系；d: 理论微分色散关系；e: 实验微分色散关系 综上所述，波导的瞬态纳米超快成像使我们能够以亚皮秒（ps）时间分辨率来量化光诱导变化的WSe2光学特性。研究者在WSe2上成功观察到了光诱导相速度的大幅变化，这表明所观察到的效应可能在范德瓦尔斯半导体中普遍存在。此外，研究者的研究结果表明，我们可以按需调谐范德瓦尔斯半导体的光学双折射行为。另一方面，研究者的工作开创性地发展了利用tr-SNOM探测超快激子动力学的工作，并为利用波导作为定量光谱学工具研究纳米光诱导动力学铺平了道路。研究者认为这种超快泵浦探测方法的高空间和时间分辨率，可能同样适用于新奇拓扑材料中的边缘模式和边缘效应的研究。 neaspec公司利用十数年在近场及纳米红外领域的技术积累，开发出的全新纳米空间分辨超快光谱和成像系统，其Pump激发光可兼容可见到近红外的多组激光器，Probe探测光可选红外（650-2200 cm-1）或太赫兹（0.5-2 T）波段，实现了在超高空间分辨（20 nm）和超高时间分辨（50 fs）上对被测物质的同时表征，可广泛用于二维拓扑材料、范德瓦尔斯（vdW）材料、量子材料的超快动力学研究。 参考文献：[1]. Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020).

在各种各样的超表面应用中，太赫兹传感凭借着高灵敏度和太赫兹波的非电离性质为分析物的无损检测提供了强大的潜力，尤其受到了广泛的关注。为持续提高太赫兹传感器的灵敏度，基于多种物理机制，包括Fano共振、连续域束缚态共振和环偶极子共振，科研人员开发了多款太赫兹传感器。其中，环偶极子谐振传感器因其微弱的辐射特性，使得电磁能量在近场范围内受到高度的局域，因此受到广泛的关注。然而，目前的环偶极子谐振传感器的灵敏度受到分析物和局域增强电磁场之间有限的空间重叠的极大限制。此外，加工这些微米级的结构也是一个挑战。 近日，基于上述问题，西安交通大学张留洋老师课题组提出了一种面外太赫兹传感器，通过面外结构，增强了光和物质的空间重叠，从而增强传感性能。该传感器通过摩方精密提供的nanoArch S130设备进行了加工，并通过实验验证了传感器的高灵敏度。图 1 （a）三步制备法示意图，包括（1）衬底制备，（2）3D打印，和（3）金属膜沉积 最右边的面板描绘了设计的传感器的原型。（b）所制传感器的SEM图像。沿传感器x轴（c）和y轴（d）的表面轮廓。图1（a）显示了基于面投影微立体光刻（PSL）3D打印技术（nanoArch S130，摩方精密）的三步制备方法示意图。与传统的微纳制造技术相比，这种方法简单有效，是面外微结构通用制造的实用候选方法。采用这种三步制备方法，成功制备了具有30×30个超分子阵列的太赫兹传感器，其扫描电镜图像如图1（b）所示。为了表征所制作传感器的三维轮廓，分别沿x轴[图1（c）]和y轴[图1（d）]测量了其表面轮廓，数据表明打印样品的测得轮廓总体上与设计模型吻合较好。 此外，分别通过阻抗匹配理论（图2）和近场分析、多偶极子散射理论（图3）解释了传感器的共振机理。 图 2 （a）传感器在x偏振和y偏振入射下的模拟（实线）和实验（虚线）反射谱。（b）y偏振入射下传感器阻抗。图 3（a）归一化散射功率。（b）电场分布（轮廓轮廓）和表面电流分布（箭头）。（c）磁场的分布。在传感器的应用方面，选择了三种类型的粉末——乳糖，半乳糖和葡萄糖——作为检测分析物。首先，将粉末经过适当研磨后均匀撒在传感器上，如图 4（a）显微镜图像所示。然后通过THz-TDS测量了相应的反射谱，如图 4（b）给所示，可观察到半乳糖的共振频率与其他分析物相比有明显的红移。 此外，为避免测量误差，采用C扫描获得面积为6×6 mm2的区域的反射谱曲线，分别提取各点对应谐振频率处的强度和谐振频率。然后，随机选择每种分析物的500个点的计算平均谐振频率，重复此过程10次，结果如图 4（f）所示。实验结果表明，所提出的传感器能够准确地检测出葡萄糖、乳糖和半乳糖粉末。 图 4 （a）被分析物粉末覆盖的传感器的显微镜图像。（b）测定的三种分析电解质粉末的反射光谱。（c）有或没有传感器下的乳糖粉末的反射谱。（d）乳糖粉加载时各点电场（传感器）的共振强度和（e）共振频率。（f）三种分析物的频移分布。

7月27日，中国科学技术大学承担的国家重大仪器设备研制专项(部门推荐)“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”结题验收会在合肥召开。国家自然科学基金委员会窦贤康主任及相关部门负责人、中国科学院科技基础能力局相关负责人、项目验收专家组（含仪器测试验收专家组、财务验收专家组、技术档案验收专家组）、项目监理组、中国科学技术大学包信和校长及相关部门负责人、项目负责人陆亚林及项目组成员等80余人参加了验收会。验收会由国家自然科学基金委工程与材料科学部常务副主任王岐东主持。项目验收专家组由14位专家组成，清华大学段文晖院士和武汉大学刘胜院士分别担任验收专家组组长和副组长。专家组首先听取了项目负责人、中国科学技术大学杰出讲席教授陆亚林关于“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”项目汇报。陆亚林教授带领项目组历时七年，克服了前沿技术挑战和国际贸易形势变化所带来的困难，攻坚克难，成功研制太赫兹近场高通量材料物性测试系统。项目通过研发可调谐预聚束太赫兹激光光源和宽谱脉冲光源、探针和样品双扫描、大口径矢量磁体等核心技术，研制了一套太赫兹近场高通量材料物性测试系统。该系统由复合光源、传输光路、多物理场、近场探测、中央控制及通用系统等构成，主体设备和相关部件已全部就位，系统运行状态良好。达到了计划书的全部技术指标，其中部分指标优于计划书指标。项目组突破了传统需要在100 K左右低温和真空才能实现的瓶颈，首次获得室温大气环境下的原子分辨太赫兹隧道电流成像；突破了多场条件集成技术瓶颈，首次获得低温强磁场下的原子分辨太赫兹近场隧道电流成像；突破了冷壁贯穿孔光学兼容技术瓶颈，成功研制出大口径超导矢量磁体，参数显著高于国际已有矢量磁体；突破了预聚束电子束团串激发0.5-5 THz相干辐射、轻量化固定磁极间隙波荡器、电控偏振分合束激光脉冲串成型光路等技术瓶颈，研制出紧凑型可调谐太赫兹激光器系统，实现了激光中心频率大范围调节。该系统相关技术还被应用于拓扑材料、人工磁结构等测量，包括在超薄氧化物薄膜异质结中测得了斯格明子并具有规模化特性；观测到具有平带结构中的长程铁磁序；在磁阻薄膜中实现了可控磁性莫尔条纹；确立了拓扑克尔效应作为磁斯格明子结构的新机制。验收专家组还听取了松山湖材料实验室冯稷研究员代表项目监理组的监理报告、合肥工业大学吴玉程教授代表仪器测试验收专家组的仪器测试报告、南京信息工程大学袁敏正高级经济师代表财务验收专家组的财务验收报告、中国科学院档案馆潘亚男研究馆员代表技术档案验收组的档案验收报告。其中仪器测试、财务、档案由基金委组织专家于7月24-26日顺利完成了分项验收。验收专家组和基金委相关领导现场考察了仪器设备运行情况。专家组对项目研制工作给予了高度评价，一致认为项目组全面完成了项目工作，评价结果为A。参加验收会的还有国家自然科学基金委工程与材料科学部副主任苗鸿雁、赖一楠，中国科学院科技基础能力局副局长卢方军、科技条件处副处长陈代谢，项目依托单位中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心主任罗毅等。（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

一、 neaspec推出全新一代纳米光谱与成像系统neaSCOPE系列产品 近期，全球知名纳米显微镜领域制造商neaspec推出了纳米光学显微镜neaSCOPE全新一代系列产品，加载了全新技术，拓展了产品功能，以满足客户多样的实验需求。neaSCOPE是基于针增强的纳米成像和光谱，以应用为目的，满足客户在科学，工程和工业研究等不同领域的科研需求。由于其高度的可靠性和可重复性，neaSCOPE已成为纳米光学领域热点研究方向的科研设备，在等离子激元、二维材料声子化、半导体载流子浓度分布、生物材料红外表征、电子激发及衰减过程等众多研究方向得到了许多重要科研成果。neaSCOPE技术特点和优势包括：♢ 行业的针增强技术，高质量的纳米分析实验数据。♢ 采用模块化设计，针对用户的实验需求量身定制配置，同时兼顾未来的升需求，无需重复购置主机。♢ 软件使用方便，提供交互式用户引导功能，让新用户也能快速上手。流程化的软件界面，逐步引导用户轻松完成实验操作。♢ 功能多样、可靠性高，已得到大量发表文章的印证，在纳米光学领域有很深的影响力，是国内外实验室的头号选择。二、neaSCOPE全新一代产品型号 IR-neaSCOPE：基于AFM 针的激光诱导光热膨胀的纳米红外成像和光谱。IR-neaSCOPE可测量纳米红外吸收谱。该设备利用AFM-IR机械信号来检测样品中激光诱导的光热膨胀。IR-neaSCOPE无需红外探测器和光学干涉仪，为热膨胀系数大的样品（如聚合物、生物材料等）提供了一种经济高效的纳米红外成像及光谱研究的解决方案。IR-neaSCOPE提供红外吸收成像，点光谱和高光谱成像，并可升到IR-neaSCOPE+s，拓展更多功能，实现更多种类材料的研究。♢ 将样品的光学与机械性质有效地去耦，实现无伪影的吸收测量。♢ 将激光地聚焦在探针上，实现优化条件下对样品的无损表征。♢ 互动式软件界面，帮助新用户直接上手，获取高质量数据。IR-neaSCOPE+s：探测商用AFM针的弹性散射光，实现纳米红外成像和光谱。IR-neaSCOPE+s能实现10 nm空间分辨率的化学分析和电磁场成像。该设备利用先进的近场光学显微镜技术来测量红外吸收和反射率，以及局部电磁场的振幅和相位。设备支持红外纳米成像、点光谱、高光谱、以及纳米 FTIR，可使用CW照明源，宽波激光器，以及同步辐射源。IR-neaSCOPE+s在有机和无机材料分析方面具有广泛的应用案例以及特殊的近场表征手段，如定量s-SNOM或亚表面分析。♢ 同时探测样品吸收和反射，适用于各类型材料。♢ 快速可靠的s-SNOM成像和光谱系统，在不影响数据质量的情况下实现高效数据产出。♢ 结合多光路设计和多项技术，实现大量选配功能（纳米 FTIR、透射、底部照明、光电流等）。...… VIS-neaSCOPE+s：局部电磁场偏振分辨的近场成像（振幅和相位）。VIS-neaSCOPE+s优化了可见光波长范围内的振幅和相位的矢量场成像。利用的s-SNOM技术实现对等离子体纳米结构和波导结构的近场成像和光谱研究。VIS-neaSCOPE+s提供灵活的光路配置，能够进行偏振测量、侧面和底部照明。同时支持升纳米FTIR 和TERS功能。♢ 检测局域电磁场的振幅和相位，实现对波衰减、模场和色散的全面表征。♢ 有的100%无背景检测技术和稳定的无像差对焦，保证在可见光全波数范围内的实验结果。♢ 灵活的光路选配，可将光源聚焦到样品或探针上，适用于等离子体不同的研究方向。 THz-neaSCOPE+s：纳米尺度太赫兹 （THz） 近场成像和光谱多功能平台。THz-neaSCOPE+s可在纳米尺度上实现太赫兹成像和光谱。该设备基于完全集成的紧凑型 THz-TDS 系统，可直接用于半导体纳米结构、二维纳米材料和新型复合材料系统的电导率研究。THz-neaSCOPE+s同时支持用户自由耦合太赫兹和亚太赫兹源，并集成了市面上SPM仪器中的软件界面，是强大的纳米太赫兹分析仪器。 ♢ 全反射光路，大程度上兼容宽波和单波太赫兹源，覆盖全部光谱范围。♢ 模块化设计和多光束路径设计，支持多种分析功能，包括光电流、泵浦以及纳米FTIR。♢ 基于THz-TDS 技术，实现紧凑且完全集成的太赫兹纳米光谱。 IR-neaSCOPE+fs：10 fs 时间分辨率和 10 nm 空间分辨率的超快泵浦光谱。IR-neaSCOPE+fs实现了泵浦光谱空间分辨率的突破。设备基于纳米FTIR 的fs激光系统，提供完全集成的硬件和软件系统，实现纳米的时间动态研究。该系统具备有的双光路设计、无色散光学元件、以及可选配的SDK，兼容各种泵浦激光器，使用成熟的高功率实验配置进行突破性的超快研究。♢ 完全集成的系统，帮助用户免于复杂的设备调试，专注于研究本身。♢ 无芯片的光学元件进行光聚焦和收集达到大时间分辨率。♢ 灵活的硬件和软件界面，可根据客户实验需求定制。 IR-neaSCOPE+TERs：nano-FTIR与nano-PL和TERS相结合，突破性的纳米尺度光谱探测技术。IR-neaSCOPE+TERs将纳米FTIR与针增强拉曼TERS和光致发光（PL）光谱相结合，在同一显微镜内利用弹性和非弹性散射光同时进行表征。该系统通过简单的光路校准可实现互补的红外光和可见光散射，可使用商用镀金的AFM探针进行稳定的纳米拉曼和PL表征。 ♢ 模块化设计和多光路设计，实现AFM探针在同一位置的纳米FTIR和纳米拉曼/PL光谱。♢ 通过简单的光路校准收集AFM探针针的强弹性散射光。♢ 使用商用AFM探针获得大 TERS 信号。♢ 优化的软件数据收集处理，在同一用户界面进行所有测量。 cryo-neaSCOPE+xs：超低温环境纳米光学成像和光谱。cryo-neaSCOPE+xs可在端低温下实现近场光学纳米成像和纳米光谱。该设备可获得高质量的近场信号，且支持可见光、红外光、以及太赫兹源。因此，该系统可实现10 K以下不同能相关的研究。cryo-neaSCOPE+xs 基于全自动干式低温恒温器，无需液氦。该系统同时具备共聚焦以及接电功能，以实现低温条件下的多功能研究。♢ 的s-SNOM和纳米FTIR技术，实现低温下纳米光学分析，温度低至10K。♢ 使用neaspec 照明和检测模块，兼容红外到太赫兹光源，应用领域广泛。♢ 使用全自动闭式循环高真空干式低温恒温器，降温速度快，使用成本低。 三、背景简介neaspec创立于2007年，起源于德国马克斯普朗克研究所，因其在纳米分析领域的一系列突破性技术而受到广泛关注。neaspec和Quantum Design结为全球战略合作伙伴，并于2013年次引入中国。产品经过多次升换代，设备的各方面性能均已达到高度优化。目前在国内的用户包括清华大学、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、中科院诸研究所等高校和研究所。此次升使得系统在软件用户交互性、模块化、后续升兼容性方面具有更大的提升。 四、应用案例1. Nature: 双层旋转的范德瓦尔斯材料中的拓扑化激元和光学魔角 相关产品：IR-neaSCOPE+s 2018年W. Ma等在Nature报道了范德瓦尔斯材料α-MoO3 中的面内双曲声子化激元的重要发现。2020年6月，G.W. Hu等在此基础上通过理论预测并在实验上证实了双层旋转范德瓦尔斯材料α-MoO3体系，可以实现由转角控制的声子化激元从双曲到椭圆能带间的拓扑变换。在这个变换角附近，光学能带变成平带，从而实现激元的直线无衍射传播。类比于双层旋转石墨烯中的电子在费米面的平带，作者因此将这一转角命名为光学魔角。 研究中作者采用散射型近场光学显微镜（s-SNOM）对双层α-MoO3 旋转体系进行扫描测试。实验结果显示，在接近魔角时，光学能带变平，声子化激元沿直线无衍射传播。此外，通过测试不同转角的双层体系，作者成功观测到在不同频段大幅可调的低损耗拓扑转换和光学魔角。这一重要发现奠定了“转角光子学”的基础，为光学能带调制、纳米光操控和超低损耗量子光学开辟了新的途径，同时也衍生出“转角化激元”这一重要分支研究方向，为进一步发展“转角声学”或“转角微波系统”提供了重要的线索和启发。（引自：中国光学-公众号，2020年6月11日《Nature：光学魔角！二维材料转角遇见光》） 【参考】 Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers. Nature, 2020, 582, 209-213.2. Nature: 天然双曲材料的声子化研究 相关产品：IR-neaSCOPE+s W. Ma在自然材料体系（α-MoO3）中观察到在平面内各项异性传播的声子化激元，包括传播速度不同的平面椭圆型和单向传播的平面双曲型声子化激元；并发现了在α-MoO3中支持的声子化激元具有低的损耗。实验发现，α相三氧化钼在两个光谱范围内存在两个剩余射线带，声子化激元的传播行为在两个剩余射线带内表现出不同的性质。在低剩余射线带内，α相三氧化钼可以在中红外波段支持双曲型声子化激元，也就是说声子化激元仅沿一个方向传播([001]方向)，在垂直方向[100]的传播完全被抑制，这种化激元有多种具吸引力的性质，它具有强的场局域特性，可以支持厚度可调节的波导模式，并且损耗低。而在另外一个剩余射线带内,α相三氧化钼在中红外波段支持椭圆型声子化激元,化激元沿着[001]和垂直方向[100]以不同的波长进行传播，这种化激元传播寿命高达约8 ±1 ps，远高于目前已知的高寿命。研究进一步促进了光学器件的微型化和多元的调制特性，并且再次证明自然材料中仍然具有无穷的挖掘潜力。 【参考】 In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal. Nature, 2018, 562, 557–562. 3. 纳米空间分辨超快光谱和成像系统在范德瓦尔斯半导体研究中的应用 相关产品：IR-neaSCOPE+fs近年来，范德瓦尔斯（vdW）材料中的表面化激元(SP)研究，例如等离化激元、声子化激元、激子化激元以及其他形式化激元等，受到了广大科研工作者的关注，成为了低维材料领域纳米光学研究的热点。其中，范德瓦尔斯原子层状晶体存在特的激子化激元，可诱导可见光到太赫兹广阔电磁频谱范围内的光学波导。同时，具有较强的激子共振可以实现非热刺激（包括静电门控和光激发）的光波导调控。2020年7月，美国哥伦比亚大学Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上发表了题为：“Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦尔斯半导体中的WSe2材料为例，利用德国neaspec公司的纳米空间分辨超快光谱和成像系统，通过飞秒激光激发研究了WSe2材料中光波导在空间和时间中的电场分布，并成功提取了飞秒光激发后光学常数的时间演化关系。同时，研究者也通过监视波导模式的相速度，探测了WSe2材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光学斯塔克（Stark）位移。【参考】 Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications, 11, 3567 (2020) 4. ACS Nano：光致发光、拉曼、近场光学同步测量技术揭示二维合金材料新特性 相关产品：IR-neaSCOPE+TERs 单层异质结构的应用潜力直接受到材料内在和外在的缺陷影响。乔治亚大学的研究人员在Abate教授的带领下，利用neaSNOM散射式近场光学显微镜，研究了二维（2D）单层合金光致氧化过程中纳米尺度下的奇异界面现象。他们发现界面张力可以通过建立稳定的局部势阱来集中本征激子，从而实现高的热稳定性和光降解稳定性。该实验结果由neaspec公司特的nano-PL / Raman和s-SNOM同步测量技术所采集，并已发表在ACS NANO中。在实验中，作者合成了由单层面内MoS2-WS2异质结构制成的2D纳米晶体，这些晶体在富Mo的内部区域和富W的外部区域间，显示出了较强的纳米合金界面。在针增强照明刺激下（100天），作者进一步观察到，光降解过程中界面的激子稳定性、局域性和不均匀性。得益于高度敏感的s-SNOM成像技术，作者探测到富W的外部区域的反射率出现急剧下降。该反射率始于晶体边缘，并随时间向内传播。在同一样品区域获得的高光谱纳米光致发光（nano-PL）图像显示，W氧化相关的激子的猝灭会遵循与s-SNOM相同的模式（在边缘开始并向内传播）。值得注意的是，合金界面的内部区域表现出了强大的抗氧化能力。即使在光降解100天后，它仍具有很强的s-SNOM信噪比和未淬灭的nano-PL信号。为了进一步研究结构变化，作者使用nano-PL进行了增强拉曼高光谱纳米成像测量，并在同一扫描区域的每个像素处获取了空间和光谱信息。实验结果表明，在整个晶体的光降解过程中，WS2拉曼峰逐渐消失，而在内部区域中的MoS2仍然存在。该结果表明在相同的环境条件、同一显微镜下测量相同的晶体，由于热诱导的合金和基底晶格常数的不匹配，导致光氧化与局部应变存在一定的关联。而合金界面可防止该应变传播到内部区域，从而防止其降解。 【参考】 Photodegradation Protection in 2D In-Plane Heterostructures Revealed by Hyperspectral Nanoimaging: The Role of Nanointerface 2D Alloys. ACS Nano 2021, 15, 2, 2447–2457. 5. Cryo-SNOM低温近场在氧化物界面的新应用 相关产品：cryo-neaSCOPE+xs 氧化物界面处的二维电子体系（2DES）做为一个特的平台，将典型复合氧化物、强电子相关的物理特性以及由2DES有限厚度引起的量子限域集成于一体。这些特的性质使其在电子态对称性、载流子的有效质量和其它物理特性方面与普通半导体异质结截然不同，可以产生不同于以往的新现象。然而氧化物界面多掩埋于物质间使其难以探测，为探究其局限2DES需要一个无创并且具有很高空间分辨率的表征技术，如果还能提供一个较宽范围内温度变化的平台将大地推进该领域的研究。通常光学显微镜可用于上述研究，其中，远场的探测技术由于受到波长和衍射限的限制缺乏空间分辨率，而红外波段的光束探测传导电子的Drude反应分辨率仅有几个微米的量，无法满足测试需求，而利用散射式近场光学显微镜(s-SNOM)可以克服这一限制，使其具有10-20 nm的空间分辨率并获得光响应信号中的强度和相位信息。近期，Alexey B. Kuzmenko团队在Nat. Commun.上获得新进展，他们利用s-SNOM来研究从室温下降到6K时LaAlO3/SrTiO3界面的变化情况，从近场光学信号，特别是其中的相位分量信息可以看出对于界面处的电子系统的输运性质具有其高的光学敏感度。这一模型说明了2DES敏感性来源于AFM针和耦合离子声子模型在很小穿透深度下的相互作用，并且该模型可以定量地将光信号的变化与冷却和静电选通控引起的2DES传输特性的变化相关联，从而提供操控光学信息的有效手段。从利用s-SNOM得到的实验结果和建立的模型结果来看，二者之间具有很好的拟合，这一结果说明了电子声子相互作用对于在零动量时的表面声子离子模型的散射化吸收具有至关重要的作用。【参考】 High sensitivity variable-temperature infrared nanoscopy of conducting oxide interfaces. Nature Communications 2019, 10, 2774. 6. Science：近场太赫兹光电流-石墨烯等离子体在近费米速度传播下的非局域量子效应 相关产品：THz-neaSCOPE+s西班牙光子科学研究所（ICFO）的 Marco Polini教授和Frank H. L.Koppens教授在《Science》上发表了题为：Tuning quantum nonlocal effects in graphene plasmonics的文章。 在本篇文章中，研究者利用散射式近场光学手段，对石墨烯-(h-NB)-金属复合体系表面进行了纳米尺度下的精细扫描，由此观测到了太赫兹波段下的石墨烯等离子体以近费米速度进行传播。研究发现，在慢的速度（数百倍低于光速）下，石墨烯等离子的非局域响应得以探测，通过近场成像能够以无参数匹配手段清晰地揭示无质量的Dirac电子气体的量子描述，进而展示了三种类型的非局域量子效应，即单粒子速率匹配，相互增强费米速率和相互减弱压缩性。通过该近场光学的研究方法，研究者终提供了确定电子体系的全时空反应的新途径。 【参考】 Tuning quantum nonlocal effects in graphene plasmonics. Science 2017, 357, 187. 五、部分发表文章[1]. Nature (2021) 596, 362[2]. Science (2021) 371, 617[3]. Nature Physics (2021) 17, 1162[4]. Nature Phot. (2021) 15, 594[5]. Nature Chem. (2021) 13, 730[6]. Nature (2020) 582, 209[7]. Nature Phot. (2020) 15, 197[8]. Nature Nanotech. (2020) 15, 941[9]. Nature Mater. (2020) 19, 1307[10]. Nature Mater. (2020) 19, 964[11]. Nature Phys. (2020) 16, 631[12]. Nature (2018) 562, 557 [13]. Nature (2018) 359, 892[14]. Science (2018) 362, 1153 [15]. Science (2018) 361, 6406 [16]. Science (2018) 359, 892[17]. Science (2017) 357, 187[18]. Science (2014) 344, 1369[19]. Science (2014) 343, 1125

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 仪器信息网讯& nbsp /strong span style=" text-indent: 2em " 太赫兹光谱与测试应用研讨会”暨“太赫兹光谱与测试工作组”成立大会于2020年1月12日在天津举行。本次大会由毫米波太赫兹产业发展联盟主办，莱仪特太赫兹（天津）科技有限公司承办，爱德万测试（中国）管理有限公司、中国科学院上海微系统与信息技术研究所与天津大学精密仪器与光电子工程学院联合协办。近百位太赫兹领域的专家学者、各领域的企业用户齐聚天津，分享科研成果、企业需求，共话太赫兹技术与产业发展道路。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 太赫兹电磁波段具有频谱资源丰富、穿透性强等特点。随着太赫兹科学技术研究的不断发展，技术应用需求市场正在形成，其中尤为突出的是对于太赫兹光谱技术应用需求。太赫兹光谱检测与成像技术作为太赫兹领域的基础技术，正在食品安全、公共安全、材料科学及生物技术领域显示出其独特的优势和广阔的应用前景。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 国内太赫兹科技研究发展迅速，对太赫兹技术的应用需求与日俱增，将带动国内太赫兹光谱检测与成像技术相关的芯片、模块、系统以及太赫兹数据的爆发式增长。据统计数据显示，2017年中国太赫兹光谱检测与成像技术的市场规模约为2亿元，预计2020年将达5亿元，到2023年中国太赫兹光谱检测与成像技术的市场规模将超10亿元。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/6e629ed1-2554-421c-bd65-6f74be431475.jpg" title=" 会议照片.jpg" alt=" 会议照片.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong style=" text-indent: 0em " 会议现场 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 在此次会议上，毫米波太赫兹产业发展联盟特别成立了“太赫兹光谱与测试工作组”，旨在通过工作组的努力，推动太赫兹光谱技术的应用及其标准化工作，并促进太赫兹光谱检测应用的发展，填补我国太赫兹频段物质光谱与材料电磁特性数据库的空白。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 会议由毫米波太赫兹产业发展联盟秘书长刘海瑞主持，他首先对联盟的组织架构、联盟单位、工作进展以及“太赫兹光谱与测试工作组”的主要成员进行了介绍，并宣布“毫米波太赫兹产业发展联盟· 太赫兹光谱与测试工作组”正式成立。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/8627ed3b-02fd-479f-9ffe-8033d602f756.jpg" title=" 刘海瑞.jpg" alt=" 刘海瑞.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong style=" text-indent: 0em " 毫米波太赫兹产业发展联盟秘书长 刘海瑞 /strong /p p strong style=" text-indent: 0em " /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 随后，揭牌仪式正式开始，由天津市科学技术委员会生物医药处处长王锐与太赫兹光谱与测试工作组组长、天津大学何明霞教授共同揭牌，并为工作组理事单位颁发牌匾。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/2ade9f08-8358-4590-9183-96bd5c54051a.jpg" title=" 揭牌.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" alt=" 揭牌.jpg" / /p p style=" text-align: center" img style=" width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/5e497f39-5a58-4659-b731-631b58547eeb.jpg" title=" 揭牌2.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" alt=" 揭牌2.jpg" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " strong 揭牌仪式 /strong /p p br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/fd76136e-a905-43b6-8c70-20314ad4b7da.jpg" title=" lingjiang .jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" alt=" lingjiang .jpg" style=" width: 600px height: 400px " / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " strong 颁发理事单位牌匾 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 天津大学精密仪器与光电子工程学院院长曾周末教授、太赫兹光谱与测试工作组组长、天津大学精仪学院何明霞教授和首都师范大学张存林教授分别致辞，表达他们对工作组成立的祝贺与期望。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/972b8f45-0e07-4ef3-8c0c-fe7b135d16a5.jpg" title=" 院长.jpg" alt=" 院长.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong style=" text-indent: 0em " 天津大学精密仪器与光电子工程学院 院长 曾周末 /strong /p p strong style=" text-indent: 0em " /strong /p p style=" text-align: center" img style=" width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/a3dd1525-346b-4d55-8f44-68c3d1116704.jpg" title=" hemingxia.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" alt=" hemingxia.jpg" / /p p br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 赫兹光谱与测试工作组组长、天津大学 教授 何明霞 /strong /p p br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/b3ce6e8f-0196-47d8-9023-b491d0cad414.jpg" title=" 张存林.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" alt=" 张存林.jpg" style=" width: 600px height: 400px " / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " strong 首都师范大学 教授 张存林 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 大会报告环节中，8位太赫兹领域的专家及工作者进行了精彩的分享。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/90b59608-61c7-45d5-9ecd-0659b8c93984.jpg" title=" 年夫顺.jpg" alt=" 年夫顺.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 中国电子科技集团有限公司 首席科学家 年夫顺 /strong br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 报告题目：基于电子学的太赫兹材料电磁特性测试与结构成像技术研究进展 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 在材料测量中，太赫兹材料测量可以深入材料内部，具有电磁特性且对人体无害，有其不可替代性。年夫顺从太赫兹工程相关问题思考、关键技术仪器设备、材料电磁特性测量、材料三维结构成像仪及团队建设未来展望几个部分进行了分享。他还指出，太赫兹目前还没有相应的标准，需要联盟和工作组的共同努力，将太赫兹技术“发扬光大”。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/facef07b-04f9-4eec-9199-37709da8242f.jpg" title=" 朱亦鸣.jpg" alt=" 朱亦鸣.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 上海理工大学 教授 朱亦鸣 /strong br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 报告题目：太赫兹波谱技术进展及其应用 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 太赫兹因其独特的性质已成为各国争相抢占的科学制高点，它既是科学前沿，又是国家的重大需求。朱亦鸣从目前国内太赫兹技术的发展状况，以及它在食用油油品检测、危险品检测、公共安全检测、中药有效成分检测和癌细胞检测等相关领域的应用对国内太赫兹发展的整体状况进行了介绍。随后，他还分享了太赫兹成像新技术——太赫兹近场超分辨显微镜。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/3d3627d6-6994-4227-aaf4-1f650554325c.jpg" title=" 黎华.jpg" alt=" 黎华.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 研究员 黎华 /strong br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 报告题目：新型太赫兹激光光频梳及光谱应用 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 科学与应用的发展对表征技术提出了新的需求，包括超高空间分辨、超快时间分辨及精细光谱分辨等，且表征方法也在向低能量尺度表征发展。黎华基于高性能半导体太赫兹量子级联激光器与光频梳，结合近场显微技术，实现了太赫兹波段时间、空间、光谱的高分辨，解决了色散，主/被动稳频三大挑战，并在国际上首次实现了紧凑型实时太赫兹光谱仪。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/60ae14fe-ace0-4b87-bd15-cd818d3985ae.jpg" title=" 曲秋红.jpg" alt=" 曲秋红.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 莱仪特太赫兹（天津）科技有限公司 技术总监 曲秋红 /strong br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 报告题目：太赫兹光谱检测应用研究及莱仪特检测平台 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 太赫兹技术应用前景十分广泛，但太赫兹光谱技术发展还存在很多在技术、成熟度及应用场景中的问题。曲秋红在报告中对莱仪特太赫兹（天津）科技有限公司的检测平台进行了简要的介绍，并分享了平台为食品、中药、太赫兹研究等领域用户提供检测服务的典型案例。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/4a9f2910-9926-455d-91df-8c28c4ba6261.jpg" title=" 赵红卫.jpg" alt=" 赵红卫.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 中国科学院上海高等研究院研究员 赵红卫 /strong br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 报告题目：太赫兹光谱技术在生物化学中的应用研究 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 太赫兹在生物化学和生物医学等领域具有广阔的前景。报告中，赵红卫从太赫兹在生物化学检测和手性生物分子的应用入手，介绍了太赫兹在生物化学及生物医学领域的应用，并分享了太赫兹光谱解析的一些心得。最后，她对太赫兹未来的发展提出了一些展望。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/a3f6f0ad-9320-48bc-a52f-e47acdb6e7bb.jpg" title=" 张彦华.jpg" alt=" 张彦华.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 爱德万测试（中国）管理公司 新业务高级拓展经理 张彦华 /strong br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 报告题目：“蒲公英花开”——太赫兹谱数据共享平台 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 目前，国内外多家单位拥有一定量的太赫兹光谱数据，但都规模较小、检测平台仪器型号多样，导致各单位交流难度大，且无统一的测样标准。张彦华介绍了爱德万测试（中国）管理公司的蒲公英太赫兹谱数据共享平台，是如何通过用户单位共享的方式让用户获得更加完整的数据库。他还展示了数据平台的相关功能。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/2f1a6ace-c861-4a8a-92d4-d7cdf410fcfd.jpg" title=" 叶伟斌.jpg" alt=" 叶伟斌.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 清华大学天津电子信息研究院 电子综合检测中心总监 叶伟斌 /strong br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 报告题目：测试太赫兹材料与器件电磁参数的技术与方法 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 毫米波太赫兹通信具有设备小、定向性强、频谱资源丰富、具有穿透等离子体能力等特点，可以应用于雷达探测、材料成像、生物探测和通讯技术中。报告中，叶伟斌首先简要介绍了清华大学天津电子信息研究院电子综合检测中心的电子综合检测平台，随后，他分享了平台检测雷达芯片的实际案例，最后他还列出了平台提供的毫米波太赫兹的检测服务项目。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/ef2c7fd7-a93c-462d-a8cb-39e20d1f081d.jpg" title=" 邓玉强.jpg" alt=" 邓玉强.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 中国科学院计量院 研究员 邓玉强 /strong br/ /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 报告题目：太赫兹计量研究 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 太赫兹是宏观电子学和微观光子学的桥梁，近年来，各类太赫兹测量仪器不断涌现，但却没有统一的标准。邓玉强研究员介绍了他在太赫兹计量领域的一些研究成果。如太赫兹时域光谱计量、太赫兹辐射功率计量、太赫兹波长频率计量、太赫兹空域参数计量，以及太赫兹计量应用几个部分。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/e2619468-d700-4ff9-b1f3-6f98caa85110.jpg" title=" heying.jpg" alt=" heying.jpg" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 全体与会代表合影 /strong br/ /p

在各种各样的超表面应用中，太赫兹传感凭借着高灵敏度和太赫兹波的非电离性质为分析物的无损检测提供了强大的潜力，尤其受到了广泛的关注。为持续提高太赫兹传感器的灵敏度，基于多种物理机制，包括Fano共振、连续域束缚态共振和环偶极子共振，科研人员开发了多款太赫兹传感器。其中，环偶极子谐振传感器因其微弱的辐射特性，使得电磁能量在近场范围内受到高度的局域，因此受到广泛的关注。然而，目前的环偶极子谐振传感器的灵敏度受到分析物和局域增强电磁场之间有限的空间重叠的极大限制。此外，加工这些微米级的结构也是一个挑战。近日，基于上述问题，西安交通大学张留洋老师课题组提出了一种面外太赫兹传感器，通过面外结构，增强了光和物质的空间重叠，从而增强传感性能。该传感器通过摩方精密提供的nanoArch S130设备进行了加工，并通过实验验证了传感器的高灵敏度。相关成果以“Highly sensitive terahertz sensing with 3D-printed metasurfaces empowered by a toroidal dipole”为题发表在光学期刊《Optics Letters》上。图 1 （a）三步制备法示意图，包括（1）衬底制备，（2）3D打印，和（3）金属膜沉积 最右边的面板描绘了设计的传感器的原型。（b）所制传感器的SEM图像。沿传感器x轴（c）和y轴（d）的表面轮廓。图1（a）显示了基于面投影微立体光刻（PµSL）3D打印技术（nanoArch S130，摩方精密）的三步制备方法示意图。与传统的微纳制造技术相比，这种方法简单有效，是面外微结构通用制造的实用候选方法。采用这种三步制备方法，成功制备了具有30×30个超分子阵列的太赫兹传感器，其扫描电镜图像如图1（b）所示。为了表征所制作传感器的三维轮廓，分别沿x轴[图1（c）]和y轴[图1（d）]测量了其表面轮廓，数据表明打印样品的测得轮廓总体上与设计模型吻合较好。此外，分别通过阻抗匹配理论（图2）和近场分析、多偶极子散射理论（图3）解释了传感器的共振机理。 图 2 （a）传感器在x偏振和y偏振入射下的模拟（实线）和实验（虚线）反射谱。（b）y偏振入射下传感器阻抗。 图 3（a）归一化散射功率。（b）电场分布（轮廓轮廓）和表面电流分布（箭头）。（c）磁场的分布。在传感器的应用方面，选择了三种类型的粉末——乳糖，半乳糖和葡萄糖——作为检测分析物。首先，将粉末经过适当研磨后均匀撒在传感器上，如图 4（a）显微镜图像所示。然后通过THz-TDS测量了相应的反射谱，如图 4（b）给所示，可观察到半乳糖的共振频率与其他分析物相比有明显的红移。此外，为避免测量误差，采用C扫描获得面积为6×6 mm2的区域的反射谱曲线，分别提取各点对应谐振频率处的强度和谐振频率。然后，随机选择每种分析物的500个点的计算平均谐振频率，重复此过程10次，结果如图 4（f）所示。实验结果表明，所提出的传感器能够准确地检测出葡萄糖、乳糖和半乳糖粉末。 图 4 （a）被分析物粉末覆盖的传感器的显微镜图像。（b）测定的三种分析电解质粉末的反射光谱。（c）有或没有传感器下的乳糖粉末的反射谱。（d）乳糖粉加载时各点电场（传感器）的共振强度和（e）共振频率。（f）三种分析物的频移分布。

“扫描近场光学显微技术” 早由科学研究工作者Edward Hutchinson Synge提出。根据观察到的在一定压力下电弧发出的通过孔径仅为100nm的强聚焦平面光，他认为，利用这种小孔径可以使光在样品表面进行逐点扫描成像，同时采集被测量物质的光学信息，并大胆预测这一技术的实现将是照明探测研究领域中的巨大突破。在1956年和1972年，John A.O' Keefe与Ash and Nicholls进一步完善了该理论，并提出小孔探测原件尽可能接近样品表面将有助于该技术的实现。1984年，台利用可见光辐射进行测量的近场光学显微镜由Pohl等制造并使用，该显微镜通过探针在样品表面保持数十纳米的距离采集反馈信息，并在两年后实现了高分辨成像。 然而，传统近场光学显微镜由于瑞利衍射限（Rayleigh limitation），其分辨率不仅受到孔径尺寸的制约，也受到入射光波长1/2的限制。因此，对于sub-um的纳米材料检测成像时，传统近场光学显微镜只能采用有限波长范围的可见光，且难以获得高清图像信息。在中红外领域，近场光学显微技术对纳米结构几乎没有用武之地。 散射式近场光学显微镜利用AFM探针对激光光束聚焦照明，在针附近激发一个纳米尺度的增强近场信号区域。当针接近样品表面时，由于不同物质的介电性质差异，近场光学信息将被改变。通过背景压制技术对采集的散射信号进行解析，就能获取到样品表面的近场光学谱图并进行成像。该技术突破了传统孔径显微的限制，其分辨率仅由AFM探针针的曲率半径决定。 德国Neaspec公司提供的新一代近场光学显微镜NeaSNOM采用了这一散射式技术，高分辨率可达10nm，并通过式的赝外差数据分析模式，同时解析强度和相位信号，解决了纳米材料尤其是在红外光谱范围的近场光学成像难题。 利用赝外差技术实现了近场光学显微镜对强度和相位的同时成像 近五年以来（2011年至今）散射式近场光学显微技术在局域表面等离子激元，无机材料表面波传导，二维材料声子化，近场光电流，半导体载流子浓度，高分子材料鉴别和生物样品成像等领域研究得到了广泛的应用，已然成为推动光学物理、材料应用发展的重要工具。 2016年，A.Y. Nikitin等通过波长10-12μm激发裁剪后的石墨烯纳米谐振器，得到了大量共存的Fabry–Perot mode信息。通过理论分析其两种等离子模式，即sheet plasmon和edge plasmon，发现后者体积仅为激发波长的10^-8倍。并通过理解edge plasmon的原理，可以促进一维量子发射器的开发，等离子激元和声子在中红外太赫兹探测器的研究，纳米图案化拓扑缘体等领域的进一步发展。 文章中5nm厚SiO2上的不同尺寸（394 × 73 nm (a), 360 × 180 nm (b) and 400 × 450 nm (c)）石墨烯纳米谐振器，在11.31μm波长下的近场成像 石墨烯由于其特性能被广泛的认可为具发展潜能的下一代光电设备材料，然而其纳米别性能的变化影响了宏观行为，高性能石墨烯光电器件的开发受到了大制约。AchimWoessner等结合红外近场扫描纳米显微镜和电子读取技术，实现了红外激发光电流的成像，并且精度达到了数十纳米别。通过研究边际和晶界对空间载流子浓度和局域热电性质的影响，实验者证明了这一技术对封闭石墨烯器件应用的益处。 近场光电流的工作原理示意图以及中从晶粒间界处得到的光电流实际测量结果 NeaSNOM是市场一款散射型扫描近场光学显微镜，化的散射式核心设计技术，大的提高了光学分辨率，并且不依赖于入射激光的波长，能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内，提供优于10nm空间分辨率的光谱和近场光学图像。 NeaSNOM中嵌入的一系列化探测和发光模块，保证了谱图的可靠性和可重复性，成为纳米光学领域热点研究方向的科研设备。 【NeaSNOM样机体验与技术咨询，请拨打：010-85120280】 相关产品：超高分辨散射式近场光学显微镜：http://www.instrument.com.cn/netshow/C170040.htm纳米傅里叶红外光谱仪：http://www.instrument.com.cn/netshow/C194218.htm

近日，复旦大学物理系周磊\孙树林课题组利用由高深宽比（20:1）的硅基人工原子构建的超构表面，在太赫兹波段实现了绝对效率高达88%的透射式自旋解耦双功能器件，例如在不同手性太赫兹光照射下实现聚焦\偏折或双全息成像等等不同功能。相关研究成果以“Bifunctional Manipulation of Terahertz Waves with High-Efficiency Transmissive Dielectric Metasurfaces”为题，于2022年12月在线发表在Advanced Science上。太赫兹（Terahertz，THz）波因其在信息通讯、生物医疗和国防安全等领域具有重大应用需求而备受相关科研人员的关注。然而，传统太赫兹器件由于自然材料在该波段的电磁响应很弱，而普遍存在体积庞大、效率低和功能单一等问题。近年来，具有强大电磁波调控能力和超薄结构特性的超构表面的出现为光学器件的小型化和功能多样化方面带来了新的契机。太赫兹超构表面器件研究在成为太赫兹领域研究热点的同时，也面临着诸多困难与挑战：金属欧姆损耗极大限制超构器件的绝对工作效率，现有全介质超构表面器件存在功能相对单一和效率低等问题。针对这些问题，研究团队提出了利用具有高深比的全介质柱人工原子（例如：纯硅）构建透射式太赫兹高效自旋解耦超构表面功能器件的新思路，并实验验证了不同圆偏振太赫兹光激励下的多功能光场调控（见图1）。图1.高效双功能全介质超构表面的示意图复旦大学周磊教授团队在太赫兹波段基于高深宽比（20：1）全介质人工原子构建了多功能超构器件，实验实现了对左右旋圆偏振入射光的高效（绝对效率88%）且完全不同的波前调控（即自旋解耦）。光学器件的效率和多功能操控一直以来都是一个瓶颈问题，对于透射式器件尤为明显。究其本质是构建超构表面的人工原子既要满足全相位覆盖要求，还要具备高的透射效率。团队发现具有高深宽比的全介质人工原子可同时满足上述条件，同时利用散射相消原理在器件反面引入减反结构可进一步提升器件的绝对效率。团队通过将套刻技术与深硅刻蚀Bosch Process工艺相结合，调节刻蚀（etch）和钝化（passivation）工艺平衡，成功制备出了具有100%偏振转化效率的高深宽比双面介质人工原子（如图2所示）。 图2. 器件加工中的Bosch平衡，器件SEM图以及太赫兹光谱图基于上述高效透射型全介质人工原子，团队充分利用与自旋无关的传输相位和与自旋相关的几何相位这两个独立调控自由度，设计和实现了手性完全解锁的高效双功能波前调控器件。图3 展示了高效双功能波前调控器件所对应的透射相位分布及其对应的人工原子的几何参数和旋转角度分布。团队的太赫兹实验远场实验完美验证了该超构器件对左右旋圆偏振光实现的聚焦和偏折效应，其绝对工作效率高达88%。为了进一步验证该设计方法的普适性，团队进一步设计并实验表征了功能更加复杂的高效全息成像双功能器件。在图4中展示了该太赫兹双功能全息超构器件的实验和模拟结果：该器件在不同圆偏振太赫兹光的激励下，可在器件透射端焦平面的左右两侧呈现不同的全息图像（字母“F”和“D”）。 图3.双功能器件的相位分布与SEM图以及实验测试架构和结果 图4. 全息成像器件SEM图、相位分布图以及近场扫描的实验结果与模拟结果周磊教授团队在此项工作中系统地阐述了利用全介质超构表面实现太赫兹高效自旋解耦多功能波前调控的设计方法，并基于成功制备的高深宽比高达20：1的全硅基超构表面样品，实验验证了具有自旋解锁的聚焦/偏折双功能器件和双功能全息超构器件。此项工作可为实现高效、小型化且多功能的透射式太赫兹器件研究提供新思路和新方法，并为未来的片上光子学研究发展提供更多的可能。复旦大学物理学系博士后王卓与博士研究生姚尧为论文的共同第一作者。复旦大学物理学系周磊教授和复旦大学光科学与工程系孙树林研究员为该论文共同通讯作者。该工作还得到上海大学通信学院肖诗逸教授和复旦大学物理学系何琼教授的大力支持与帮助。该研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科委的项目的支持。

一、项目基本情况项目编号：0664-2360SUMECTY005D（SEU-ZB-230698）项目名称：东南大学理科平台低温散射式扫描近场光学显微镜采购预算金额：1500.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：1460.000000 万元（人民币）采购需求：东南大学理科平台采购低温散射式扫描近场光学显微镜1套，主要技术参数：低温散射型扫描近场光学显微镜平台1.1基于低温AFM的无孔径近场扫描显微镜系统。冷却系统需基于一个完全阻尼且封闭循环低温恒温器，保证底板温度本项目所属行业：工业。合同履行期限：境外产品：开具信用证后10个月设备安装调试合格。境内产品：自合同签订之日起30天内到货并安装调试合格。本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2024年01月02日 至 2024年01月08日，每天上午9:00至11:00，下午14:00至17:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：微信公众号“苏美达达天下”方式：在线获取（详见补充事宜）售价：￥600.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：东南大学　　　　　地址：南京市玄武区四牌楼2号　　　　　　　　联系方式：技术咨询：电子科学与工程学院：骆老师 电话：19852843441； 实验室与设备管理处：刘老师 电话：025-83792693　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：苏美达国际技术贸易有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：南京市长江路198号苏美达大厦5楼502室　　　　　　　　　　　　联系方式：杨 扬 025-84532455、葛晓菲025-84532451　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：葛晓菲电　话：　　025-84532451

太赫兹波是指频率在0.1～10THz之间的电磁波，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空白”区。由于太赫兹波所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，在材料分子的特殊光谱信息分析、材料与结构的无损探伤及三维层析、违禁物品反恐检查、生物组织的活体检查、高精度保密雷达、卫星间宽带通信等方面的研究，在天体物理学、等离子体物理学、光谱学、材料学、生物学、医学成像、环境科学、信息科学等领域有着广阔的应用前景。 　　太赫兹波有非常重要的学术和应用价值(有的已处于实用)，使得全世界各国都给予极大的关注，美国、欧州和日本尤为重视。我国近年来对于太赫兹技术的研究也日益关注。在近日陆续公布的“2011年国家重大科学仪器开发专项”与“2011年国家重大科研仪器研制专项”中，其中由中科院紫金山天文台史生才研究员作为负责人主持申报的国家重大科研仪器设备研制专项——“太赫兹超导阵列成像系统”项目成功获批立项，资助总经费6000万元，研究期限5年。此外中国工程物理研究院申报的国家重大科学仪器开发专项——“相干强太赫兹源科学仪器设备开发项目”也成功获批立项。 　　仪器信息网编辑整理了目前国内从事太赫兹技术研究的实验室和研究中心，供读者对我国太赫兹技术的研究情况做一基本了解。 　　太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室 　　首都师范大学物理系太赫兹实验室于2001年正式成立。2006年正式批准为北京市“太赫兹波谱与成像”重点实验室。2007年获批太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室。该实验室是目前国内最好的太赫兹研究基地之一。2009年起始，太赫兹实验室正式获批中关村开放实验室，依托实验室现有条件和中关村地区科技资源的优势和作用，深化产学研之间的合作，正式为中关村2万多家注册企业提供相应的技术服务，联合进行关键技术攻关。 　　目前，实验室具有科研用房1500平方米，其中千级超净实验室2间，面积170平方米。科研仪器设备总值超过千万元。在过去的三年中，实验室共承担包括国家973计划、国家863、国家自然科学基金重大项目等各类项目23项，总科研经费1328余万元。 　　本实验室主要研究方向：1.太赫兹波谱研究 2.太赫兹成像研究 3.太赫兹与红外无损检测研究 4.太赫兹与物质相互作用。 　　山东科技大学太赫兹技术研究中心 　　山东科技大学太赫兹技术研究中心成立于2003年，由我国著名太赫兹专家刘盛纲院士担任中心主任，是山东省唯一的太赫兹科学与技术研究机构。 　　目前实验室拥有太赫兹源研究室、太赫兹时域光谱技术应用研究室和太赫兹器件开发研究室共三个研究室，实验室面积约500平方米，设备价值约300万元。拥有60m2的千级超净实验室，奥地利产半导体泵浦飞秒激光器，德国产808nm、30W半导体激光器，相干公司激光光束质量分析仪，Gentec公司激光功率计，泰克公司200MHz示波器，光学平台等研究设备，锁相放大器， Golay探测器，精密电移台等专用研究设备。 　　主要研究方向包括：基于光子学太赫兹辐射源的研究、太赫兹应用技术研究、太赫兹器件的研究。 　　超快光电子与太赫兹技术实验室 　　超快光电子与太赫兹技术实验室是一个集合光学，半导体物理学，微电子学，生物学等多学科交叉的实验室。主要涉及微电子制造、半导体工艺、生物医学检测、太阳能光伏、红外传感、超高频电磁波应用等领域。实验室依托于上海理工大学。主要研究人员有庄松林院士、朱亦鸣、许健等。 　　实验室目前已有1000级超净室180平方米，美国相干公司飞秒激光器一台，时域太赫兹波谱测试系统一套，AFM原子力显微镜一台， SEM扫描电子显微镜一台，半导体参量测试仪一台，积分球光谱测试系统一套，磁共溅射/离子束溅射镀膜机一台等大型设备。 　　实验室主要研究方向：1.应用全新的超快光学方法-时域太赫兹波谱法，进行半导体材料和器件内超快电子的检测 同时设计开发新型的半导体超快电子器件。2.利用太赫兹波对物质进行研究 如通过太赫兹波和生物分子的作用，来鉴别区分不同类型的中草药，毒品等 通过太赫兹波和液晶材料、半导体材料的相互作用，来研究材料本身的一些物理特性。3.超高频电磁通信和传输及其器件的开发。4.微纳结构硅基光伏材料(黑硅)的制备、检测 基于黑硅的光伏电池的优化组装 5.微纳结构金属材料的制备、检测 基于此类微纳结构金属材料的应用 6.表面等离子波导中电磁场微小频率变化的探测7.表面等离子波导中电磁场的古斯汉欣位移增强效应的研究。 　　中国计量学院太赫兹技术与应用研究所 　　中国计量学院太赫兹技术与应用研究所成立于2006年7月，属于校级研究所，研究所所长：为洪治博士。研究所获得了浙江省“重中之重”学科“仪器科学与技术”的资助。 　　现有实验室面积1000余平方米。拥有基于BWO(返波振荡器)的连续THz实验平台 锁模钛宝石激光器及相关测试设备 太赫兹波TDS系统等实验设备。 　　主要研究方向1.太赫兹波器件、传输与系统 2.太赫兹波成像、传感技术及应用 3.太赫兹波与生物分子相互作用机理及应用 4.太赫兹波谱材料特性测试及应用。 　　中科院太赫兹固态技术重点实验室 　　2011年3月28日，中科院太赫兹固态技术重点实验室揭牌仪式举行，该重点实验室的成立，加强了中科院太赫兹研究基地建设。实验室依托于中国科学院上海微系统与信息技术研究所。曹俊诚研究员担任实验室主任，田彤研究员担任实验室副主任，封松林研究员担任实验室学术委员会主任。 　　实验室主要围绕半导体固态太赫兹源、探测器及其在通信与成像等领域的应用，开展基于光子学和电子学的固态太赫兹器件物理与工艺、太赫兹器件与模块、太赫兹检测与成像以及太赫兹信息传输与通信等方面的基础和应用研究工作。 　　中物院太赫兹科学技术研究中心 　　2011年12月12日，中物院太赫兹科学技术研究中心正式成立，中心主任由电子工程研究所所长姚军代理。 　　中心主要围绕太赫兹物理理论、半导体太赫兹技术、电真空太赫兹技术以及太赫兹在通信、雷达、光谱学和成像中的应用开展研究。太赫兹研究中心目前成立了4个研究室，包括太赫兹总体和应用技术研究室、太赫兹理论研究室、太赫兹半导体器件研究室和电真空太赫兹技术研究室，依托各相关研究所开展工作，并计划在中物院成都科技创新基地建设太赫兹实验室。 　　此外目前国内高校中电子科技大学，天津大学，南京大学，中山大学，国防科大，上海交通大学，西安理工大学，深圳大学，南开大学，清华大学 北京航空航天大学 北京理工大学等都有太赫兹研究计划。 　　研究所方面：中国科学院物理所，紫金山天文台，西安光机所，中科院上海应用物理所，半导体所也有研究项目。

2006年11月，英国物理学家如今正在研制一种杀伤力最强的太赫兹射线，并尝试用它破坏生长在培养器中的皮肤癌细胞。利物浦大学的这一试验将帮助科学家进一步了解太赫兹技术在治疗人类疾病上的运用。据英国广播公司报道，这是科学家首次进行利用太赫兹技术杀伤癌细胞的试验，这一技术还将运用于遗传物质的识别。 　　太赫兹波是指频率在0.1至10太赫兹(波长为3000至30微米)范围内的电磁波，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的“探针”用来对物质内部进行深入研究。 　　太赫兹射线不仅可以检测出脱氧核糖核酸(DNA)物质的转变，而且能够帮助医生根据个体患者的遗传信息实施相应的药物治疗。此外，由于太赫兹波具备穿透衣服、纸张、木头、墙体、塑胶和陶瓷等物体的能力，因而还被运用于探测隐秘武器、识别爆炸物和毒品。太赫兹波还能“感受”到分子的振动和旋转，因而可以用来对物质的内部进行深入研究。利物浦大学的研究人员如今正在开发这一“杀伤力”最为强大的技术，使其广泛运用于各个领域。 　　研究人员指出，细胞死亡的形式分成两大类：一是凋亡——细胞招致损伤而导致胀大和破裂 二是细胞的计划性死亡——细胞的自然老化。前者是在液体环境下迅速变化完成的，而后者则不是。这两种形式的不同之处在于细胞保持水分程度的差异。 　　利用太赫兹射线治疗皮肤癌正是建立在这样的理论基础之上——癌细胞与其他组织水分中的细胞差别甚微，通常癌细胞相对来说更大、更活跃。因而，含水量较多的癌细胞才能被组织水分中大量吸收的太赫兹射线杀死。 　　研究人员认为，现在迫切需要的就是从第四代光源中制造高能量太赫兹射线。太赫兹成像和太赫兹光谱能够破译出在低能量太赫兹射线下所得到的肿瘤影像的结构和成分 能量高的太赫兹射线有利于近场成像。而高清晰度的太赫兹成像和太赫兹光谱对识别癌细胞非常重要。 　　据介绍，基底细胞癌(BCC)是最常见的皮肤恶性肿瘤。这种皮肤癌细胞会对皮肤、组织甚至骨头造成损害，并且能导致死亡。40%的患者会转化为多发性病变。脸和脖子是最为常见的局部病变部位，常常需要实施大规模的整形外科手术。英国每年有3万多起BCC案例，65岁以上的人中有1/5的人可能罹患该病。 　　参与此项研究的利物浦大学物理学教授Peter Weightman说：“第四代光源的产生与直线加速器原型密不可分。而破坏组织培养器中癌细胞的太赫兹射线的部分能量来源就是加速器周围高速运转的电子。”“培养器是用来繁殖皮肤癌细胞的，而太赫兹射线是用来轰击这些癌细胞的。当太赫兹射线照射到培养器的时候，射线波被浸泡癌细胞的液体吸收，吸收放射性物质后的液体进入到癌细胞内部，从而将癌细胞彻底杀灭。”他补充道。 　　据悉，开发太赫兹射线项目是由英国西北地区发展署资助的，该项目的开发将用到由达斯伯里实验室开发的第四代光源的原型。

近日，空天信息创新研究院广州园区王天武研究团队关于太赫兹（THz）载波包络移相器的研发成果，发表于《先进光学材料》（Advanced Optical Materials）。其研究论文题为《基于超材料的柔性太赫兹载波包络移相器（Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials）》。作为太赫兹扫描隧道显微镜系统的核心部件，该载波包络移相器由不同的人工微结构阵列组成（图1）。研究团队首次利用“超材料”在亚波长厚度和不改变THz电场极化的情况下实现了对宽带THz载波包络相位（CEP）的消色差可控相移，其CEP的相移高达2。与传统的THz载波包络移相器相比，该移相器具有超薄、柔性、低插损、易于安装和操作等优点。超短脉冲的CEP决定了脉冲的瞬时电场强度，它在许多非线性物理过程中起着重要作用。例如，近年来，将亚皮秒THz脉冲耦合到纳米尖端以调制隧道结的偏压而开发的THz扫描隧道显微镜（THz-STM）已经在超快时间尺度上实现了原子级分辨率。通过简单高效的途径控制THz脉冲的CEP来实现对隧道结中近场THz时间波形的主动控制对推进电子的超快纳米尺度操纵是必不可少的。由多个THz偏振元件组成的复杂装置已用于控制THz脉冲的CEP，但由于菲涅耳反射损耗，其插入损耗很大。此外，天然材料在太赫兹波段具有弱的色散响应和小的双折射系数，因此不容易被设计用于具有宽频率成分的太赫兹脉冲的CEP控制。超材料作为一种由亚波长结构衍生而来的具有特殊光学特性的人工材料，与自然材料相比，它对电磁波的色散响应和双折射系数都可进行人为的定制。尽管超材料技术发展迅速，但由于近单周期THz脉冲的宽带特性，它对THz脉冲的 CEP控制仍然具有挑战性。基于此，研究团队提出了基于超材料的柔性THz载波包络移相器来控制THz CEP的方法，并对该移相器的性能进行了模拟和实验表征。研究者利用特定的金属分裂环谐振器的几何相位和共振相位来控制THz脉冲的CEP，并利用正交定向光栅来提高传输效率。当入射的THz脉冲依次被载波包络移相器中不同的微结构阵列调制时，通过THz时域光谱系统（THz-TDS）清晰地观察到了THz脉冲的时间波形在不同CEP值下的变化，与模拟结果十分吻合（图2a, b）。此外，通过实验验证了该移相器在广角入射和大的形变下具有良好的鲁棒性（图2c, d），并且通过适当缩放模型的结构参数。该设计方案也可以应用于其他波段。以上研究工作得到国家自然科学基金、广州市和广州市开发区项目的支持。研究合作单位包括北京凝聚态物理研究所、松山湖材料实验室以及中国科学院大学。点击此处查看论文图1. (a)移相器的单元结构示意图，(b)整体和局部光学照片图2. (a, b) 模拟和实验获得的不同CEP值对应的THz时间波形变化，(c, d) 广角入射和样品弯曲形变对器件性能的影响

导读：布拉迪斯拉发先进材料应用中心（Center of Advanced Material Applications in Bratislava）的科研工作者利用对光致各向异性有不同响应的超高分辨散射式近场光学显微镜-neaSNOM，研究了有机半导体薄膜的分子取向与离散分子结构异质性的关系，揭示了分子取向对分子缺陷的影响。在此过程中，作者自创了一种综合利用振幅和相位信号测量分子取向的方法。上图：利用Neaspec设备表征材料得到的s-SNOM结果 文献解析：近年来, 共轭高分子以及小分子在有机电子设备方面的应用受到广泛关注，这是因为相比于无机半导体，它们在以下方面展现了其潜在优势：应用适配性、生物相容性、以及相对简单的制备过程。简单的制备过程也吸引化学家设计并研发了具有各种不同结构和功能基团的共轭分子，以此来满足有机电子设备的需要。而电导率作为重要的功能指标之一，与分子的取向息息相关。考虑到大多数分子都是各向异性的，分子取向将直接影响其光电特性（也就是能量转换效率）和机械特性。而根据具体应用的不同，设备需要一种特定的分子取向以满足其需要，并且此时其他的分子取向会被视为材料的缺陷。也因此，缺陷分析在有机半导体设备的开发与改进工作中，起到了举足轻重的作用。然而，对尺寸小于100 nm缺陷的判定一直是一块未被充分研究与记录的领域。 光学技术是表征分子取向的主要手段。而衍射限的存在限制了其测量精度，致使得到的光学响应信号体现的只是（精度范围内）很多纳米颗粒的平均情况。面对该问题，德国Neaspec公司历经多年研发出散射式近场光学显微镜（scattering-type scanning near-field optical microscopy，s-SNOM）。该设备突破衍射限(优于10 nm空间分辨率)并完成了超高空间分辨率的纳米成像。它能表征薄膜材料的固有纳米晶体结构、局部多晶型、异质性或应变性以及反应分子取向等信息。尽管近些年技术方面的进步日新月异，利用s-SNOM分析分子取向的工作却迟迟没有进展，眼下只有寥寥几篇的相关报告得以被发表。在本文中，作者深入研究了分子取向，并对离散分子结构的异质性做了分析。在此之上，作者观察到了与表面形貌并不相关的定向缺陷。这些缺陷对有机电子系统的功能性产生了直接的影响。 参考文献[1] Nanoimaging of Orientational Defects in Semiconducting Organic Films, [J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2021, 125(17):9229-9235.

近日，新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Qi Jie Wang教授团队及其合作者们通过构建光子类马约拉纳零模（Majorana-like zero mode），在量子级联激光芯片中实现单模、柱状矢量光场输出的太赫兹量子级联激光器。相关成果以“Photonic Majorana quantum cascade laser with polarization-winding emission”为题发表于期刊《Nature Communications》上。新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院博士后韩松(现为浙江大学杭州国际科创中心和浙江大学信电学院研究员)为论文第一作者，博士研究生Yunda Chua为共同第一作者；南洋理工大学电气与电子工程学院Qi Jie Wang教授为论文第一通讯作者，武汉大学信息电子学院曾永全教授为共同通讯作者。拓扑学研究的是几何物体或空间在连续形变下保持的全局性质，它只关注物体之间的空间关系而不考虑其大小和形状。对具有特殊拓扑性质的光子结构而言，空间上的缺陷和无序只会引起局部参数变化，不影响该空间的全局性质。拓扑光子结构的典型特征在于结构内部是绝缘体，而表面则能支持无带隙的界面（表面）态。受结构全局性质的规范，界面态可沿着有限光子绝缘系统的边缘或畴壁单向传输，并且能够有效地绕过结构拐角及制备误差引起的缺陷和无序而无后向散射（即拓扑保护）。因此，拓扑光子结构可用于实现高鲁棒性半导体激光器，即“拓扑激光器”。然而，拓扑激光器研究面临两大共性难题：1）需要光泵；2）需要外加磁场或者构建等效磁场来产生受拓扑保护的界面态激光模式。二者均显著增加了激光器系统的复杂程度、成本和功耗，降低了激光器的可靠性，阻碍了其实用化进程。针对上述难题，课题组前期利用量子能谷霍尔效应的原理，以太赫兹有源超晶格材料为增益介质，集成能谷光子晶体,通过简单的设计打破结构反对称性来产生“能谷-动量锁定”的边界传输模式，实现了拓扑界面态的片上单向传输和放大，从而首次研发出电泵浦拓扑激光器。然而该工作是多模激光器且其信噪比低，难以实现激光器出射光的光束控制。随后，来自南加州大学的科学家利用量子自旋霍尔效应，在室温条件下，实现近红外电泵浦单模激光。然而，该工作设计复杂的超大尺寸耦合环形谐振腔阵列实现拓扑边界态，其样品整体尺寸在200个波长以上，且需要耦合光栅增强激光输出和信噪比，难以实现光束调控、赋形、极化控制等高性能激光器。此外，两个工作均需要选择性地泵浦边界态，牺牲光子晶体体态增益材料，难以实现大面积集成的高功率激光器。因此，对电泵浦拓扑激光器性能的提升，如光束调控、赋形、极化控制、高功率输出等，亟待新的物理机制。团队创造性地将凝聚态中p波超导的马约拉纳零能模式引入到光子晶体体系，并利用光子类马约拉纳零能模式的辐射特性，实现了全动态范围单模输出（边模抑制比大于15dB，输出光率约1毫瓦）、柱状矢量光场调控、固态电泵浦、单片集成的太赫兹拓扑激光器。该成果的独特优势还有：（1）在不需要选择性泵浦的情况下，其发光腔体整体直径可以低至大约4个波长，是目前报道能保证毫瓦量级功率条件下最紧凑的太赫兹拓扑激光器（相对激光波长），这极大提升了该类半导体激光器在实际应用中的集成度。（2）光子马约拉纳微腔的自由光谱程(free spectral range)与腔体尺寸呈现二次方反比律[3]，这一特性使得光子马约拉纳微腔更容易在大面积条件下保持单模激光输出。团队也在电泵浦拓扑激光器体系中证实了该二次方反比律，并实现了大面积泵浦下高功率（大于9毫瓦）和单模激光输出，其功率是同等尺寸下脊形激光器的5.4倍。图1.光子马约拉纳激光器的示意图a和加工样品图b。图2.a.超胞（supercell）能带随Kekule调制相位的变化。b.类马约拉纳光子腔的相位分布及六方晶格位置与相位之间的关系。中心虚线圆包围的部分为非Kekule调制区域（non-Kekule modulated region），其半径标记为ζ，这里ζ=2a。图中显示马约拉纳光子腔的相位绕数为+1。c.相位绕数为+1的类马约拉纳光子腔的空气孔的大小分布。d,e.三维模拟的类马约拉纳光子腔的近场（Ez）与远场（Intensity）分布。图3. a，b实验测到的激光模式随泵浦电流密度变化，a.相位绕数+1，b.相位绕数-1。c.理论计算的净增益。d.实验测得的L-I-V曲线和在对应位置激光光谱。图4.远场测试。a.测试装置示意图。b,c.数值仿真和实验测试的远场光斑。d,e.加偏振片后的激光光谱和光斑。图5.大面积激光的L-I-V曲线，激光光谱，和单模性分析。

无损评估、生物医学诊断和安全筛查等诸多令人兴奋的太赫兹（THz）成像应用，由于成像系统的光栅扫描要求导致其成像速度非常慢，因此在实际应用中一直受到限制。然而，太赫兹成像系统的最新进展极大地提高了成像通量（imaging throughput），并使实验室中的太赫兹技术更加接近现实应用。据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学洛杉矶分校（University of California Los Angeles，UCLA）的科研团队在Light: Science & Applications期刊上发表了以“High-throughput terahertz imaging: progress and challenges”为主题的综述论文。该论文第一作者为Xurong Li，通讯作者为Mona Jarrahi。该论文主要从硬件和计算成像两个角度回顾了太赫兹成像技术的发展。首先，研究人员介绍并比较了使用热探测、光子探测和场探测的图像传感器阵列实现频域成像与时域成像时的各类硬件。随后，研究人员讨论了利用不同成像硬件和计算成像算法实现高通量捕获飞行时间（ToF）、光谱、相位和强度图像数据的方法。最后，研究人员简要介绍了高通量太赫兹成像系统的未来发展前景和面临的挑战。基于图像传感器阵列的太赫兹成像系统（硬件方面）然而，并非所有类型的图像传感器都能够扩展到大型阵列，但这是高通量成像的关键要求。这部分内容重点介绍了基于各类图像传感器阵列的高通量太赫兹成像系统。这些太赫兹成像系统的性能主要通过空间带宽积（SBP）、灵敏度、动态范围以及成像速度等指标在其工作频率范围内进行量化。太赫兹频域成像系统在热探测太赫兹成像仪中，微测辐射热计是最广泛使用的图像传感器之一，它将接收到的太赫兹辐射所引起的温度变化转化为热敏电阻材料的电导率变化。氧化钒（VOx）和非晶硅（α-Si）是室温微测辐射热计最常用的热敏电阻材料。使用微测辐射热计图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2a所示。热释电探测器是另一类热成像传感器，它将接收到的太赫兹辐射所引起的温度变化转化为能以电子方式感测的热释电晶体的极化变化。图1 目前最先进的频域太赫兹图像传感器的性能对比图2 基于图像传感器阵列的太赫兹频域成像系统示例对于室温太赫兹成像，场效应晶体管（FET）图像传感器是微测辐射热计图像传感器的主要竞争对手。FET图像传感器的主要优势之一是具有出色的可扩展性。与室温微测辐射热计图像传感器相比，FET图像传感器通常工作在较低的太赫兹频率下，其灵敏度也较低。然而，由于无需热探测过程，FET图像传感器可以提供更高的成像速度。使用FET图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2b所示。光子探测器作为可见光成像仪中最主要的图像传感器，在太赫兹成像中也发挥着至关重要的作用。除低温制冷要求外，太赫兹光子探测器还有另外两方面的限制：工作频率限制（高于1.5 THz）以及可扩展性限制（难以实现高像素的探测器阵列）。使用光子探测图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2c所示。另外，可以利用量子点或激光激发的原子蒸汽将从成像物体接收到的太赫兹光子转换为可见光子，并且可以利用光学相机在室温下实现对大量像素的高通量成像。然而，太赫兹到可见光的光子转换过程需要复杂且笨重的装置来实现。与光子成像仪相比，超导太赫兹成像仪可以提供同等水平甚至更高的灵敏度。同时，它们具有更好的可扩展性，并且能够在较低的太赫兹频段工作。超导成像仪主要有四种类型：过渡边缘传感器（TES）、动态电感探测器（KID）、动态电感测辐射热计（KIB）和量子电容探测器（QCD）。使用超导图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2d所示。到目前为止，所讨论的频率域太赫兹成像仪均是进行非相干成像，并且仅能解析被成像物体的强度响应。相干太赫兹成像可使用外差探测方案来解析成像物体的振幅和相位响应。通过将接收到的来自成像物体的辐射与本振（LO）波束混合，并将太赫兹频率下转换为射频（RF）中频（IF），可将高性能射频电子器件用于相干信号探测。超导体-绝缘体-超导体（SIS）、热电子测辐射热计（HEB）、肖特基二极管、FET混频器和光电混频器可用于太赫兹到射频的频率下转换。由于外差探测架构的复杂性，所展示的相干太赫兹成像仪灵敏度被限制在数十个像素。太赫兹时域成像系统基于时域光谱（TDS）的太赫兹脉冲成像仪是另一种相干成像仪，它不仅能提供被成像物体的振幅和相位信息，还能提供被成像物体的超快时间和光谱信息。THz-TDS成像系统使用光导天线或非线性光学操纵在泵浦探针成像装置中产生和探测太赫兹波（如图3）。图3 太赫兹时域成像系统示意图：（a）太赫兹光电导天线阵列成像；（b）太赫兹电光取样成像。传统的THz-TDS成像系统通常是单像素的，并且需要光栅扫描来获取图像数据；而为了解决单像素THz-TDS成像系统成像速度慢、体积庞大又复杂的问题，基于电光效应和光导效应的图像传感器阵列已被采用。图4a为使用光学相机的电光采样技术捕获太赫兹图像的示例。基于电光采样的无光栅扫描THz-TDS成像系统既可用于远场太赫兹成像，也可用于近场太赫兹成像（如图4b）。无光栅扫描THz-TDS成像的另一种方法是使用光导图像传感器阵列（如图4c）。基于光导效应和电光效应图像传感器的无光栅扫描THz-TDS成像系统能够同时采集所有像素的数据。然而，时域扫描所需的光学延迟阶段的特性对整体成像速度造成了另一个限制。图4 基于电光效应和光导效应的图像传感器阵列的太赫兹时域成像系统示例研究人员对基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性进行了分析，如图5所示。频域成像系统只能解析被成像物体在单一频率或宽频率范围的振幅响应，无法获得超快时间和多光谱信息；但同时，它们配置灵活，可以使用不同类型的太赫兹光源，以实现主动和被动太赫兹成像。时域成像系统则既可以解析被成像物体的振幅和相位响应，也可以解析超快时间和多光谱信息；然而，它们只能用于主动太赫兹成像，并且需要带有可变光学延迟线的泵浦探针成像装置，从而增加了成像硬件的尺寸、成本和复杂性。图5 基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性分析虽然太赫兹成像系统的功能通常由上述原理决定，但可以通过修改其运行架构，以实现新的和/或增强功能。太赫兹光谱各类成像方案如图6所示。图6 太赫兹光谱各类成像方案太赫兹计算成像这部分内容主要介绍了各类计算成像方法，这些方法不仅提供了更多的成像功能，而且减轻了由太赫兹成像带来的对高通量操作的限制（放宽了对高通量太赫兹成像硬件的要求）。太赫兹数字全息成像全息成像允许从与物体和参考物相互作用的两光束的干涉图中提取目标信息。太赫兹全息成像系统利用离轴或同轴干涉。与利用THz-TDS成像系统进行相位成像相比，太赫兹数字全息成像无需基于飞秒激光装置并且更具成本效益。对太赫兹辐射源和图像传感器阵列的选择也更加灵活，可以根据工作频率进行优化。然而，太赫兹数字全息成像对成像物体有着更多限制，并且在对多层次和/或高损耗对象成像时受到限制。基于空间场景编码的太赫兹单像素成像与使用太赫兹图像传感器阵列直接捕获图像相比，太赫兹单像素传感器可以通过利用已知空间模式序列来顺序测量并记录空间调制场景的太赫兹响应，从而重建物体的图像。与用于频域和时域成像系统的太赫兹图像传感器阵列相比，该成像方案得益于大多数太赫兹单像素传感器的优越性能（如信噪比、动态范围、工作带宽）。图7总结了太赫兹单像素成像系统的发展。值得一提的是，压缩感知算法不仅适用于单像素成像，也可用于提高多像素图像传感器阵列的成像通量。图7 基于空间波束编码的太赫兹单像素成像系统的发展基于衍射编码的太赫兹计算成像到目前为止，本文介绍的太赫兹成像系统遵循的范式主要依赖于基于计算机的数字处理来重建所需图像。然而，基于数字处理的重建并非没有局限性。为了解决的其中一些挑战，最佳策略可以是为特定任务的光学编码设计光学前端，并使其能够接管通常由数字后端处理的一些计算任务。近期，一种新型光学信息处理架构正兴起，它以级联的方式结合了多个可优化的衍射层；这些衍射表面一旦优化，就可以利用光与物质相互作用，在输入和输出视场之间共同执行复杂的功能，如图8所示。近年来，衍射深度神经网络技术（D²NN）在太赫兹成像方面有着非常广泛的应用，例如图像分类，抗干扰成像，以及相位成像。图8 基于衍射深度神经网络（D²NN）的太赫兹计算成像系统示意图总结与展望综上所述，高通量太赫兹成像系统将通过深耕成像硬件和计算成像算法而持续发展，目标是具有更大带宽、更高灵敏度和更大动态范围的超高通量成像系统，同时还能为特定应用定制成像功能。太赫兹计算成像技术有望与量子探测、压缩成像、深度学习等技术相结合，为太赫兹成像提供更多的功能及更广泛的应用。研究人员坚信太赫兹成像科学与技术将蓬勃发展，未来太赫兹成像系统不仅会大规模应用于科学实验室和工业环境中，而且还将在日常生活中显著增长。这项研究获得了美国能源部资金（DE-SC0016925）的资助和支持。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01278-0