本發(fā)明是一種分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)（Molecular junction near field spectroscopy）測試系統(tǒng)，通過利用電子隧穿效應(yīng)和近場針尖尖端增強(qiáng)兩種技術(shù)原理構(gòu)筑了新型分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)微尺度光信號和電信號的協(xié)同測試。

背景技術(shù)：

隨著單分子測試技術(shù)和手段不斷進(jìn)步，多種先進(jìn)技術(shù)（如原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡以及針尖增強(qiáng)近場顯微鏡等）被應(yīng)用于有機(jī)半導(dǎo)體小分子、生物大分子的測試和應(yīng)用。微尺度條件下分子排列、電荷轉(zhuǎn)移、以及光學(xué)性質(zhì)的研究是近年來功能化納米技術(shù)研究的重點(diǎn)。對單分子器件電荷轉(zhuǎn)移的研究主要通過高分辨掃描隧道顯微鏡來實(shí)現(xiàn)，尤其是電荷轉(zhuǎn)移過程中的電流-電壓特性不但反映了圍觀分子內(nèi)部電子云密度分布，同時(shí)也反映了電子在分子內(nèi)傳輸特性（如文獻(xiàn)1, 2所述）。然而，為了更深入的探究微尺度分子相關(guān)性質(zhì)，更靈敏測試手段急需得到開發(fā)。針尖增強(qiáng)近場顯微鏡是測試超微尺度光學(xué)性質(zhì)的一種顯微鏡。該顯微鏡利用針尖近場增強(qiáng)原理測試局部區(qū)域（小于8nm）光信號，尤其適用于測試針尖增強(qiáng)拉曼光譜（如文獻(xiàn)3, 4所述）。在微觀尺度范圍內(nèi)，測試單個小分子的特殊性質(zhì)、制備太陽能電池，有機(jī)電致發(fā)光以及有機(jī)場效應(yīng)晶體管器件都具有極高的難度，在分子尺度下測試光信號、電信號以及光電協(xié)同響應(yīng)性質(zhì)則需要高技術(shù)背景支持的創(chuàng)新型設(shè)備。

上文中所述的文獻(xiàn)：

1、Rev. Phys. Chem. 2006, 57, 593;

2、Nature 2000, 408, 541

3、Physical review letters 2004, 92,96101;

4、Ultramicroscopy 1984, 13, 227。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)，通過利用電子隧穿效應(yīng)和近場針尖尖端增強(qiáng)兩種技術(shù)原理構(gòu)筑了新型分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了原位單分子結(jié)的電學(xué)信號及光學(xué)信號的協(xié)同測試，這種光學(xué)近場顯微鏡可以用于多種基于單分子有機(jī)光電特性器件的分析和研究。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供了一種分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)，包括顯微鏡、高真空腔體、光譜分析儀、電流測試系統(tǒng)、高壓放大器、電腦以及石英玻璃針尖，所述的顯微鏡分別與高真空腔體、光譜分析儀以及電腦相連接，所述的電流測試系統(tǒng)和高壓放大器分別連接在高真空腔體和電腦之間，所述的光譜分析儀還與電腦相連接，所述的顯微鏡包括透鏡、反射鏡以及分光鏡，所述的反射鏡和分光鏡分別設(shè)置在透鏡之間，所述的反射鏡和分光鏡之間還設(shè)置有透鏡，所述的石英玻璃針尖通過支架設(shè)置在高真空腔體的頂部并位于顯微鏡的下方。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的高真空腔體包括基底和壓電陶瓷，所述的基底設(shè)置在壓電陶瓷的上方。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的石英玻璃針尖采用三棱柱型的石英玻璃的表面蒸鍍20-40納米金薄膜制備。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)還包括氦氖激光器，所述的顯微鏡分別通過光纖與氦氖激光器和光譜分析儀相連接。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供了一種分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)造方法，包括以下具體步驟：

步驟1：利用石英玻璃角制備石英玻璃針尖

將石英玻璃切割為邊長4毫米等邊三角形用于制備針尖，將切割成三棱柱型的石英玻璃的表面蒸鍍20-40納米金薄膜制備石英玻璃針尖，用石英玻璃針尖作為電信號檢測和光導(dǎo)通通道，當(dāng)氦氖激光器的激光通過剛分辨率顯微鏡匯聚到石英玻璃針尖的尖端時(shí)，石英玻璃針尖的尖端將產(chǎn)生極高的近場強(qiáng)度，當(dāng)這一近場增強(qiáng)效應(yīng)被用于測試光譜測試時(shí)將實(shí)現(xiàn)近場增強(qiáng)光譜的測試；

步驟2：利用微尺度下電子隧穿效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)單分子結(jié)電流-電壓測試

將制備的石英玻璃針尖固定在支架上，控制壓電陶瓷使固定于在上面基底上下移動，當(dāng)石英玻璃針尖與基底間距離足夠接近時(shí)，將觀測到隧穿電流，當(dāng)石英玻璃針尖與基底距離進(jìn)一步縮短達(dá)到分子結(jié)的長度，石英玻璃針尖與基底上的分子實(shí)現(xiàn)接觸，實(shí)現(xiàn)分子結(jié)的構(gòu)筑行為，當(dāng)分子結(jié)構(gòu)筑完畢后，即可控制施加在分子結(jié)上的電壓，測試其電流電壓行為；

步驟3：利用石英玻璃針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，構(gòu)筑了石英玻璃針尖的尖端增強(qiáng)光譜測試系統(tǒng)

利用分光鏡將氦氖激光器的激光引入高真空腔體內(nèi)，并通過高分辨率物鏡將氦氖激光器的激光匯聚于石英玻璃針尖的尖端，并在石英玻璃針尖的尖端產(chǎn)生極強(qiáng)的近場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃針尖的尖端的單分子光學(xué)信號的測試，同時(shí)，利用高分辨率物鏡采集石英玻璃針尖的尖端光信號，最終將光信號導(dǎo)入低溫的光譜分析儀進(jìn)行光譜分析；

步驟4：原位單分子結(jié)的電學(xué)信號及光學(xué)信號的協(xié)同測試

通過控制基底高度構(gòu)筑單分子結(jié)，對單分子結(jié)施加驅(qū)動電壓，測試電流-電壓信號，同時(shí)，將氦氖激光器的激光引到石英玻璃針尖的尖端測試針尖增強(qiáng)拉曼光譜，以此實(shí)現(xiàn)分子結(jié)電信號及光信號的協(xié)同測試。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的石英玻璃的厚度為0.2毫米。

在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的分子結(jié)的長度為0.2納米。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的一種分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)及其構(gòu)造方法，通過利用電子隧穿效應(yīng)和近場針尖尖端增強(qiáng)兩種技術(shù)原理構(gòu)筑了新型分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了原位單分子結(jié)的電學(xué)信號及光學(xué)信號的協(xié)同測試，這種光學(xué)近場顯微鏡可以用于多種基于單分子有機(jī)光電特性器件的分析和研究。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1是光存儲近場顯微鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是金原子導(dǎo)電測試示意圖；

圖3是拉曼光譜針尖增強(qiáng)信號測試波長關(guān)系圖；

圖4是拉曼光譜針尖增強(qiáng)信號測試距離關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面將對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例包括：

一種分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)，包括顯微鏡、高真空腔體、光譜分析儀、電流測試系統(tǒng)、高壓放大器、電腦以及石英玻璃針尖，所述的顯微鏡分別與高真空腔體、光譜分析儀以及電腦相連接，所述的電流測試系統(tǒng)和高壓放大器分別連接在高真空腔體和電腦之間，所述的光譜分析儀還與電腦相連接，所述的顯微鏡包括透鏡、反射鏡以及分光鏡，所述的反射鏡和分光鏡分別設(shè)置在透鏡之間，所述的反射鏡和分光鏡之間還設(shè)置有透鏡，所述的石英玻璃針尖通過支架設(shè)置在高真空腔體的頂部并位于顯微鏡的下方。

上述中，所述的高真空腔體包括基底和壓電陶瓷，所述的基底設(shè)置在壓電陶瓷的上方。

其中，所述的石英玻璃針尖采用三棱柱型的石英玻璃的表面蒸鍍20-40納米金薄膜制備。

進(jìn)一步的，所述的分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)還包括氦氖激光器，所述的顯微鏡分別通過光纖與氦氖激光器和光譜分析儀相連接。

本發(fā)明還提供了一種分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)造方法，包括以下具體步驟：

步驟1：利用石英玻璃角制備石英玻璃針尖

將石英玻璃切割為邊長4毫米等邊三角形用于制備針尖，將切割成三棱柱型的石英玻璃的表面蒸鍍20-40納米金薄膜制備石英玻璃針尖，用石英玻璃針尖作為電信號檢測和光導(dǎo)通通道，當(dāng)氦氖激光器的激光通過剛分辨率顯微鏡匯聚到石英玻璃針尖的尖端時(shí)，石英玻璃針尖的尖端將產(chǎn)生極高的近場強(qiáng)度，當(dāng)這一近場增強(qiáng)效應(yīng)被用于測試光譜測試時(shí)將實(shí)現(xiàn)近場增強(qiáng)光譜的測試；

步驟2：利用微尺度下電子隧穿效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)單分子結(jié)電流-電壓測試

將制備的石英玻璃針尖固定在支架上，控制壓電陶瓷使固定于在上面基底上下移動，當(dāng)石英玻璃針尖與基底間距離足夠接近時(shí)，將觀測到隧穿電流，當(dāng)石英玻璃針尖與基底距離進(jìn)一步縮短達(dá)到分子結(jié)的長度，石英玻璃針尖與基底上的分子實(shí)現(xiàn)接觸，實(shí)現(xiàn)分子結(jié)的構(gòu)筑行為，當(dāng)分子結(jié)構(gòu)筑完畢后，即可控制施加在分子結(jié)上的電壓，測試其電流電壓行為；

步驟3：利用石英玻璃針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，構(gòu)筑了石英玻璃針尖的尖端增強(qiáng)光譜測試系統(tǒng)

利用分光鏡將氦氖激光器的激光引入高真空腔體內(nèi)，并通過高分辨率物鏡將氦氖激光器的激光匯聚于石英玻璃針尖的尖端，并在石英玻璃針尖的尖端產(chǎn)生極強(qiáng)的近場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃針尖的尖端的單分子光學(xué)信號的測試，同時(shí)，利用高分辨率物鏡采集石英玻璃針尖的尖端光信號，最終將光信號導(dǎo)入低溫的光譜分析儀進(jìn)行光譜分析；

步驟4：原位單分子結(jié)的電學(xué)信號及光學(xué)信號的協(xié)同測試

通過控制基底高度構(gòu)筑單分子結(jié)，對單分子結(jié)施加驅(qū)動電壓，測試電流-電壓信號，同時(shí)，將氦氖激光器的激光引到石英玻璃針尖的尖端測試針尖增強(qiáng)拉曼光譜，以此實(shí)現(xiàn)分子結(jié)電信號及光信號的協(xié)同測試。

上述中，所述的石英玻璃的厚度為0.2毫米；所述的分子結(jié)的長度為0.2納米。

本發(fā)明提供了一種可以同時(shí)測量單分子光譜性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)的裝置，如圖1所示。分子結(jié)的光學(xué)及電學(xué)測試在超高真空條件下實(shí)現(xiàn)（~10-7 毫巴），通過自主設(shè)計(jì)電路驅(qū)動系統(tǒng)，該儀器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的分子結(jié)的構(gòu)筑，并實(shí)時(shí)測試分子結(jié)電壓-電流特性。通過自主設(shè)計(jì)光學(xué)平臺及信號收集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對石英玻璃針尖的尖端單分子的光學(xué)信號測試。最終，本發(fā)明將這兩種測試技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了原位單分子結(jié)的電學(xué)信號及光學(xué)信號的協(xié)同測試。本發(fā)明提供的是一種單分子水平光學(xué)近場顯微鏡及其構(gòu)造方法，這種光學(xué)近場顯微鏡可以用于多種基于單分子有機(jī)光電特性器件的分析和研究。

利用石英玻璃角制備該儀器中的針尖。石英玻璃厚度約為0.2毫米，將其切割為邊長4毫米等邊三角形用于制備針尖。將切割成三棱柱型的石英玻璃的表面（三棱柱型玻璃的兩個側(cè)表面及底面）蒸鍍20-40納米金薄膜制備分子級探測針尖。利用這種鍍金的石英玻璃針尖作為電信號檢測和光導(dǎo)通通道。這種針尖表面由于具有金的薄膜，其除具導(dǎo)電性之外，還具備良好光導(dǎo)通特性。當(dāng)激光通過剛分辨率顯微鏡匯聚到針尖尖端時(shí)，針尖尖端將產(chǎn)生極高的近場強(qiáng)度，當(dāng)這一近場增強(qiáng)效應(yīng)被用于測試光譜測試時(shí)將可以實(shí)現(xiàn)近場增強(qiáng)光譜的測試。上述發(fā)明的核心就是利用鍍金的玻璃針尖巧妙地將激光拉曼光譜與STM結(jié)合在一起，并且實(shí)現(xiàn)近場增強(qiáng)光譜的測試。

利用微尺度下電子隧穿效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)單分子結(jié)電流-電壓測試。本發(fā)明采用固定針尖，控制基底上下移動的方法控制針尖與基底間相對距離。本發(fā)明將制備的石英玻璃針尖固定在支架上，控制壓電陶瓷使固定于在上面基底上下移動。當(dāng)針尖與基底間距離足夠接近時(shí)，將觀測到隧穿電流。當(dāng)針尖與基底距離進(jìn)一步縮短達(dá)到分子結(jié)長度，大約0.2納米左右時(shí)，針尖與基底上的分子實(shí)現(xiàn)接觸，實(shí)現(xiàn)分子結(jié)的構(gòu)筑行為。當(dāng)分子結(jié)構(gòu)筑完畢后，即可控制施加在分子結(jié)上的電壓，測試其電流電壓行為。首先，固定針尖的設(shè)計(jì)可保證長時(shí)間穩(wěn)定在基底上方，提高分子結(jié)穩(wěn)定性。其次，通過高精度壓電陶瓷及電流放大器控制基底移動來實(shí)現(xiàn)分子結(jié)的構(gòu)筑及分離。最后，通過突破傳統(tǒng)描隧道顯微鏡（STM）概念的方式，犧牲X，Y方向上對基底的控制，實(shí)現(xiàn)了針尖與基底相對位置的高穩(wěn)定性。

利用針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，構(gòu)筑了針尖尖端增強(qiáng)光譜測試系統(tǒng)。該儀器利用分光鏡將激光（633nm）引入真空腔內(nèi)，并通過高分辨率物鏡將激光匯聚于針尖尖端。并在針尖尖端產(chǎn)生極強(qiáng)的近場強(qiáng)度。在近場增強(qiáng)效應(yīng)的作用下，本儀器實(shí)現(xiàn)了針尖尖端的單分子光學(xué)信號的測試。同時(shí)，利用高分辨率物鏡采集針尖尖端光信號，最終將光信號導(dǎo)入低溫光譜分析儀進(jìn)行光譜分析。通過引入石英玻璃針尖，本發(fā)明有效的降低了在針尖尖端增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)中常見的光譜淬滅行為。這一特點(diǎn)保證了在分子結(jié)光譜測試過程中分子結(jié)的穩(wěn)定。

本發(fā)明的另一顯著特點(diǎn)成功地將上述兩種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合。通過控制基底高度構(gòu)筑單分子結(jié)，對單分子結(jié)施加驅(qū)動電壓，測試電流-電壓信號。同時(shí)，將激光引到針尖尖端測試針尖增強(qiáng)拉曼光譜。以此實(shí)現(xiàn)分子結(jié)電信號及光信號的協(xié)同測試。

下面選取三個方向?qū)Ρ景l(fā)明做進(jìn)一步的闡述，并證明本發(fā)明應(yīng)用效果，而不是要以此對本發(fā)明進(jìn)行限制。

實(shí)施例1：單個金原子導(dǎo)通行為測試

本實(shí)驗(yàn)以金薄膜為基底，針尖與金基底之間時(shí)間的電流被實(shí)時(shí)監(jiān)測。在針尖與基底之間施加10 mW的電壓，金基底在壓電陶瓷的控制之下不斷向針尖移動。當(dāng)針尖與基底達(dá)到一個特定距離時(shí)，將隧穿電流。當(dāng)針尖與基底徹底接觸之后，電流呈指數(shù)性迅速增強(qiáng)。然后緩慢向下移動基底，此時(shí)針尖與基底接觸接近近分離，實(shí)現(xiàn)了如圖2所示的臺階狀電流變化。圖2中，橫坐標(biāo)同時(shí)顯示了測試時(shí)間，及壓電陶瓷電壓間接表示了針尖與基底間距離變化。縱坐標(biāo)表示針尖與基底間量子傳輸性質(zhì)，即針尖與基底間的金原子個數(shù)。

該實(shí)驗(yàn)表明，本儀器所用的近場光學(xué)針尖達(dá)到了單個金原子級別的尖銳程度。臺階式電流的穩(wěn)定時(shí)間可以證實(shí)了有機(jī)半導(dǎo)體分子在針尖和基底之間可以長時(shí)間保持穩(wěn)定的接觸。

實(shí)施例2：針尖增強(qiáng)拉曼顯微鏡測試

該實(shí)驗(yàn)以異硫氰基-孔雀石綠分子在金表面構(gòu)筑單分子層，并作為實(shí)驗(yàn)基底。當(dāng)針尖與基底間距離實(shí)現(xiàn)隧穿電流時(shí)，測試其針尖增強(qiáng)拉曼光譜，如圖3所示。此時(shí)，其拉曼光譜相對于針尖遠(yuǎn)離基底的情況下光譜強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。拉曼光譜特征峰位明顯。因此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了針尖尖端增強(qiáng)拉曼光譜的測試。為更好地測試本發(fā)明精確操控水平，進(jìn)一步測試針尖與基底間距離與光譜強(qiáng)度間相互關(guān)系，如圖4所示。當(dāng)針尖與基底距離小于15 nm時(shí)，針尖增強(qiáng)行為既可以被觀測到。隨著針尖與基底距離不斷減小，針尖的近場強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，針尖增強(qiáng)拉曼光譜強(qiáng)度隨之不斷增強(qiáng)。可以發(fā)現(xiàn)，只有針尖尖端一小部分分子暴露于針尖近場增強(qiáng)之下，并形成針尖尖端增強(qiáng)拉曼光譜。實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明中所提到的測試單分子級別拉曼光譜的測試目標(biāo)。

綜上所述，本發(fā)明的一種分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)及其構(gòu)造方法，通過利用電子隧穿效應(yīng)和近場針尖尖端增強(qiáng)兩種技術(shù)原理構(gòu)筑了新型分子結(jié)光學(xué)近場顯微鏡系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了原位單分子結(jié)的電學(xué)信號及光學(xué)信號的協(xié)同測試，這種光學(xué)近場顯微鏡可以用于多種基于單分子有機(jī)光電特性器件的分析和研究。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。