利用表面声子极化激元增强光生偶极力，实现纳米红外成像

中红外波段的红外光生偶极力通常比红外光热膨胀力弱1~2个数量级，难以在实验中测量。基于力的纳米级红外（nano-IR）成像技术，包括光热诱导共振（PTIR）、峰值力红外（PFIR）和光致力显微镜（PiFM），可以通过直接成像其固有振动模式（材料的“指纹”身份）来研究样品纳米尺度信息。 据麦姆斯咨询报道，近日，南京大学夏兴华教授、李剑副研究员团队提出了一种利用衬底的表面声子极化激元来增强纳米红外成像中光生偶极力响应的方法，进而实现超薄样品表面和亚表面异质结构的精确区分。该研究成果最近以“Surface-phonon-polariton-enhanced photoinduced dipole force for nanoscale infrared imaging”为题在线发表于National Science Review期刊。

研究人员发现石英衬底的表面声子极化激元可以显著增强近场光生力响应中的光生偶极力，使其超过衬底和样品的光热膨胀力。基于此，他们设计了一种基于衬底表面声子极化激元增强光生偶极力的纳米尺度红外成像策略，能够解决超薄样品中异质结构的成像难题，如图1所示。

图1 基于声子极化激元光生偶极力的超灵敏纳米红外成像策略

研究人员以石英衬底表面不同厚度的聚二甲基硅氧烷作为模型体系，验证了该方法在超薄样品中成像的灵敏度和对比度，结果如图2所示。

图2 石英衬底聚二甲基硅氧烷的纳米红外对比成像

随后，研究人员将该方法应用于层状共价有机框架材料和嵌段共聚物亚表面缺陷的可视化，实现了高分辨的纳米成像，结果如图3和图4所示。

图3 应用于层状共价有机框架材料的成像结果

图4 嵌段共聚物亚表面缺陷的成像结果

综上所述，这项研究展示了一种衬底增强的纳米红外对比成像技术，通过在声子极化共振附近实现强增强的光生偶极力。这项研究主要通过选择具有低热膨胀系数、吸收系数或热扩散率等低热性能的衬底材料来限制热膨胀，从而增强声子极化共振附近的偶极子力。该方法可用于诊断包括地下在内的超薄结构的综合形貌信息，这对于声子极化材料对纳米级器件的非侵入性诊断具有重要意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae101

审核编辑：刘清