超低振幅振荡实现1纳米分辨率的散射式近场光学显微技术突破

为解决传统散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）在原子尺度光学成像中的分辨率限制，研究人员开发了超低振幅振荡s-SNOM（ULA-SNOM），结合频率调制原子力显微镜（FM-AFM）与低温超高真空环境，实现了1纳米横向分辨率的硅-银界面光学对比成像，为单分子及原子结构光学表征开辟了新途径。

　　

在光学显微技术领域，突破衍射极限一直是科学家追求的目标。传统散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）虽然能够实现10-100纳米的分辨率，但对于原子尺度结构的观测仍面临巨大挑战。原子级缺陷、单分子光学特性等研究需求，亟需一种能够在纳米甚至亚纳米尺度解析材料光学响应的高分辨技术。

为解决这一难题，一项发表在《SCIENCE ADVANCES》的研究提出了一种创新方法——超低振幅振荡s-SNOM（ULA-SNOM）。该技术通过将等离子体尖端与样品间的1纳米级间隙局域场与频率调制原子力显微镜（FM-AFM）相结合，在稳定的低温超高真空环境中，实现了前所未有的1纳米横向分辨率光学成像。

研究团队采用了几项关键技术：1）聚焦离子束（FIB）抛光银尖端以优化等离子体共振；2）石英音叉（QTF）传感器实现亚纳米级振幅振荡控制；3）锁相放大技术提取高阶谐波散射信号；4）低温超高真空（8 K, UHV）环境稳定纳米间隙。样本为银（111）表面沉积的单层硅岛结构。

ULA-SNOM配置
通过FM-AFM维持1纳米恒定振荡振幅，结合633纳米激光照明，系统检测到银-硅界面的光学对比信号。实验显示，第三谐波信号（S₃
）在3纳米间隙内显著增强，证实了超局域近场探测能力。

振幅优化研究
对比0.1-5.0纳米振荡振幅表明，0.5-1.0纳米振幅在信噪比与空间分辨率间达到最佳平衡。理论推导证明，高阶导数项在低振幅下可忽略，确保信号反映真实的近场光学响应。

硅岛光学成像
在第四谐波（S₄
）通道中，硅岛与银基底呈现清晰光学对比（信号差达100 pW），误差函数拟合显示1.06纳米横向分辨率。STM与s-SNOM分辨率差异（0.39纳米 vs 1.06纳米）证实了光学对比的非拓扑起源。

这项研究的意义在于：1）首次实现1纳米级弹性光散射光学成像，突破了传统s-SNOM的极限；2）为单光子活性缺陷、分子轨道光学表征提供了新工具；3）多模态联用（STM/FM-AFM/s-SNOM）开创了原子尺度物性关联研究的新范式。未来，结合伪外差干涉等技术，有望实现原子尺度介电函数的完整解析，推动量子光学与纳米光子学的发展。