离共振波长下的超高分辨率无孔径扫描近场光学显微成像

当以沿轴向线偏振的光束照射时，具有几纳米厚贵金属涂层的原子力显微镜(AFM)针尖会在针尖顶点近场处产生强电场，即热点。这种强近场使得在无孔径扫描近场光学显微镜或针尖增强拉曼光谱应用中能够分辨晶体表面的分子形貌或纳米级缺陷。然而，强近场仅出现在某些照明波长处，这些波长依赖于材料和几何结构的等离激元共振发生。一旦金属涂层针尖制成，由于针尖顶点的材料和几何结构固定，最佳工作波长也随之固定。在此，我们首次展示一种方法，使 AFM 针尖在其等离激元共振离共振的波长下仍可使用。该技术依赖于用适当的辅助分子修饰针尖。例如，原本在 $\lambda_{\rm p}=581$ nm 处具有等离激元共振的针尖，当被适当的辅助分子修饰后，可在 $\lambda_{\rm exc}=532$ nm 处有效离共振工作。此外，发现近场在辅助分子正下方最强，从而实现单分子尺寸的超高空间分辨率成像。我们用三维 Maxwell 方程的精确解证明了该现象，并说明了此种增强发生的原因。