Nano-FTIR

纳米傅里叶红外变换光谱仪

3 谱/s 采样速度

10nm空间分辨率

3.2cm-1光谱分辨率

660cm-1~2200cm-1光谱范围

Nano-FTIR将带给您前所未有的纳米级光学成像和物质分辨

详情请咨询NeaSNOM大中华区总代理Quantum Design 中国子公司

Nano-FTIR

纳米傅里叶变换红外光谱仪

10nm分辨率与高稳定性

纳米傅里叶变换红外光谱仪Nano-FTIR是Neaspec公司基于成熟的散射型近场光学技术，进一步开发推出的最

新产品。该产品得益于散射型近场光学技术在空间分辨率上的优势，将稳定地获得样品红外光谱的空间分辨率

提高到10nm。是目前世界上唯一的成熟的纳米级高分辨率的傅里叶变换红外光谱仪。

鉴别化学结构，最佳可达10nm空间分辨率

高速成像采谱，谱线具有高稳定性

与传统红外光谱结果吻合

适用材料范围广，包括有机和无机材料

可对二维材料、纳米生物材料有高敏感度

可探测近场光学信号强度、相位并成像

具有专利技术的宽波段红外光源

软件集成度高，操作简便

模块化设计，可拓展性强

Nano-FTIR 纳米傅里叶变换红外光谱技术概述

纳米级空间分辨率：基于新型近场光学技术，使用散射点代替传统孔径，从而获得更高的空间分辨率。高

空间分辨率的基本原理是：一个被照明的颗粒会在其周围形成增强的光场，而这个近场会被其附近的样品

改变，这种近场互相作用会导致在远场接受到的散射光带有样品局部的光学性质。在实际应用中，普通的

AFM针尖即可被用作散射源，而其近场光学空间分辨率只由AFM针尖的曲率半径决定，大约为10-30nm，

而与照射光波长无关。

为了配合Nano-FTIR技术，Neaspec公司专利性的开发了宽波段的高功率连续激光光源，以保证Nano

-FTIR系统可以稳定测量，得到样品的有效吸收光谱信号。下图展示了Nano-FTIR与传统红外吸收光

谱的高度吻合结果。

左图为纳米傅里叶变换红外光谱仪的结构示意图。

从样品表面与探针处散射的近场信号能够反映样品

的本征性质。具有专利设计的傅里叶变换红外光谱

仪通过接收与分析散射的光信号可以得到样品的本

征红外吸收光谱。而且由于结合散射型近场光学技

术，红外光谱的空间分辨率一般可以达到10nm。

该技术可以适用于各种纳米尺寸样品稳定快速的xi

性质分析。

Nano-FTIR 纳米傅里叶变换红外光谱的应用范围

样品种类： 应用领域：

近场光学

表面等离基元

太赫兹与超快光学

高分子与有机物结构

生物材料分析

电子晶体管

二维晶体材料

表面声子极化激元

特殊设计的宽波段激光光源

同步辐射光源

DFG激光

Nano-FTIR配置了Neaspec研发的具有专利性

技术的宽波段高功率连续激光光源。与普通热

激发光源相比，该光源具有更强的能量密度。

与普通的连续波长激光光源相比，该光源具有

更宽的波长范围。因此，Neaspec特殊设计的

光源非常适合纳米傅里叶变换红外光谱的测

量。

高稳定性，紧凑设计

覆盖主要中红外光谱指纹区

强度高于任何红外同步辐射光源

简单易用，三波段自动切换、对准

专门为Nano-FTIR红外成像与采谱设计

Nano-FTIR的在科学实验领域的应用范围十分广泛。可以测量的样品种类包括金属、高分子

材料、有机物、半导体晶体管、纳米线、石墨烯等等材料。应用领域涵盖化学结构分析、表面

等离基元、太赫兹与超快光学、二维晶体材料性质研究等等范围。

金属

高分子材料与有机物

半导体材料

生物材料

纳米线

石墨烯

其他二维材料

锂电池材料

纳米傅里叶变换红外光谱表征半导体器件

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傅里叶红外光谱被广泛应用于无机有机材料与

生物材料，甚至一些导电现象。但是传统傅里

叶红外光谱仪分辨率一般在10微米左右，很难

分辨纳米尺寸的复杂结构。因此，科学研究对

于新的成像分析技术有巨大的需求。

F.Huth等人利用Neaspec公司的纳米傅立叶红

外光谱技术(Nano-FTIR)分析鉴定了半导体器件

中的中性硅、p型硅与二氧化硅的不同组分。该

技术由于针尖对信号的增强与特殊设计的干涉

仪系统信号增强两个方面的原因，即便使用热

激发光源也能成功分析亚微米尺寸的材料结构

。结果表明根据红外吸收光谱结果可以成功分

析硅材料中的不同载流子浓度。纳米级空间分

辨率的红外光谱成像更是可以清晰表明半导体

器件中各种组分的分布情况。

作者预见纳米傅里叶变换红外光谱技术在不同科学技术领域比如半导体产业到纳米化学结构和天

体物理学研究等各个方面都将会有广泛的潜在应用。结合特征红外光谱与纳米分辨的近场成像技

术的研究手段将在化学组分分析、无机与有机系统（包括有机半导体、太阳能电池、纳米线、陶

瓷、矿物质等）等领域的研究有巨大前景。

F. Huth et al., Nat Mater 10, 352-356 (2011)

Nano-FTIR 应用案例

纳米傅里叶变换红外光谱对有机物材料的结构分析

分子薄膜或者纳米复合物的化学组成结构对于未

来纳米器件以及生物相容性界面有重要的研究意

义。傅里叶变换红外光谱是一个被广泛应用于化

学结构鉴定的技术，然而，传统的傅里叶变换红

外光谱技术受到衍射极限的限制而无法准确分析

小于几个微米的结构中的成分。

F.Huth等人利用Neaspec公司的纳米傅立叶红外

光谱技术(nano-FTIR)对厚度为90nm的聚甲基丙

烯酸甲酯（PMMA）薄膜进行了结构鉴定。结果

表明，纳米傅里叶变换红外光谱技术测量得到

PMMA的吸收光谱图与传统的傅里叶变换红外光

谱所得结果完全吻合。并且通过线性扫描获取红

外光谱的实验, 证明了纳米傅里叶变换红外光谱

的 空 间 分 辨 率 可 以 达 到20纳 米 以 上。另 外，

PMMA薄膜上面的一个纳米尺寸大小的杂质（左

上 图 中P4) 也 被 成 功 鉴 定 为 聚 二 甲 硅 氧 烷

(PDMS)。

作者预见，纳米傅里叶变换红外光谱技术为纳米

尺寸大小的化学物质或者任何微小微量的存在红

外振动的物质结构分析打开了一扇大门。该技术

对有机物、分子、生物材料、纳米化合物或者纳

米器件的研究有巨大的潜在应用。

F.Huth et al., Nano Letters 12, 3973-3978 (2012)

纳米傅里叶变换红外光谱对单根蛋白质复合物结构的分析

中红外光谱已经被广泛应用于化学，生物以及

生物化学等学科中，材料鉴定和二级结构分析

的工作。然而由于衍射极限的存在，限制了对

纳米尺寸蛋白质结构的研究。

I. Amenabar等人利用Neaspec公司的纳米傅

里叶变换红外光谱技术(nano-FTIR)进行了以

30nm横向空间分辨率对蛋白质结构光学成像

的工作，并展示了nano-FTIR对单根蛋白质复

合物的敏感度。实验结果展示了对病毒，铁蛋

白（Ferritn）复 合 物，紫 膜（purple mem-

branes）,胰岛素聚合物的局部光谱，并通过

它们的α-螺旋 和/或者 β-页状结构进行解释。

研究者同样通过nano-FTIR对胰岛素纤丝进行

了研究。胰岛素纤丝是一种广泛应用于神经组

织退化疾病研究的模型系统，实验结果表明

3nm直径的淀粉样纤丝含有大量的a-螺旋结构。此结果揭示了在纤丝周围的蛋白质具有令人惊讶的高度有

序性，这个结果也许可以作为解释纤丝结合的原因。作者预见Nano-FTIR将在如细胞受体的离体成像，和

蛋白质四级结构的分析等众多领域中有着广泛的应用潜力。

I. Amenabar et al., Nature Comm 3890, 4:2890 (2013)

纳米傅里叶变换红外光谱揭示有机半导体薄膜中的亚微米共存相

高度有序排列的有机物材料在新电子器件领域有广

泛的发展前景。并五苯是一种被广泛表征并被证实

有优秀表现的有机薄膜晶体管材料。然而，这种材

料的迁移率与晶界大小关系还存在争议。对这种材

料中两种不同相（薄膜相与体相两种相）共存的状

况与否或者具体如何共存的问题也存在疑问。

C.Westermeier等人利用Neaspec公司纳米红外成像

(NeaSOM）与纳米傅里叶变换红外光谱技术(Nano-

FTIR)研究了并五苯材料中的两相共存的问题。不同

相位的并五苯可以被区分。纳米傅里叶变换红外光

谱进一步证实了不同相分别是体相与薄膜相。通过

实验，得到的结果令人惊讶。体相与表面相可以在

很小的范围（300纳米尺度）内共存。并且，体相

的分布与原子力显微镜的相貌图或者晶界完全不相

关，一个体相可能覆盖几个晶界的范围。他们发现

这些相邻的椭圆形体相之间多成垂直结构。

这些实验结果可以推测之前并五苯迁移率与晶界大

小的关系的争议可能是由于晶体中不同相的共存于

具体共存相的分布有关。

C. Westermeier et al., Nature Comm 5101, 5:4101 (2014)

作者预见结合红外散射型近场成像与纳米分辨傅立叶变换红外光谱技术(Nano-FTIR)可以研究更多的

半导体有机物晶体材料。类似的对有机物材料的研究可以在将来加深对有机太阳能电池等领域的理解 。

二维材料氮化硼晶体中声子极化激元的研究

S. Dai et al. 343, 1125-1129, (2014)

范得瓦尔斯晶体是由层与层之间微弱的范德华

力的相互作用构成的薄层晶体，类似石墨块中

的石墨烯单原子层。这类晶体具有超导、铁磁

性、发光性等等特殊性质。

现代科学中一个热门的研究方向就是通过叠加

不同范德瓦尔斯晶体制备复杂的异质结构来得

到多功能结构材料。

S.Dai等人利用Neaspec公司的纳米傅里叶红

外光谱系统(Nano-FTIR)研究了不同厚度的薄

层氮化硼晶体中的声子极化激元（一种光子与

光学声子的耦合作用）。结果表明，极化波的

传播现象存在于氮化硼晶体表面，而且极化波

的波长随着氮化硼晶体的厚度变化而变化。分

析结果还可以得到表面声子极化激元色散特性

关系。这些实验数据可以很好的与理论模型相

吻合。与石墨烯相比，氮化硼晶体的损失因子

要小很多，所以氮化硼晶体中表面声子波传播

距离相对较大。

作者还对二氧化硅衬底上的单层与两层的氮化硼晶体中表面极化波进行了研究。他们指出由于衬底影响

因数的加强，单层与两层的样品中的现象比较复杂，因此需要进一步研究悬空样品的性质。作者预测在

其他极化范德瓦尔斯晶体中也很可能有类似现象，甚至一些新的有趣现象。

纳米傅里叶变换红外光谱研究锂电池充放电过程中的相位分布情况

I.T. Lucas et al., Nano Letters 15, 1-7 (2015)

磷酸铁锂是商业锂电池中一种常用的正极材

料。虽然磷酸铁与锂离子相互作用经过一级

相变最终变成纯的磷酸铁锂是已知的，但是

充放电过程中的磷酸铁锂去锂离子的具体工

作机制还是存在争议的。

I. T.Lucas等人利用Neaspec公司的纳米傅里

叶变换红外光谱技术(nano-FTIR)对磷酸铁锂

在锂电池的充放电过程中的相位分布进行了

具体的研究。根据对不同充放电阶段的正极

材料红外吸收光谱的研究，实验结果直接证

明，充放电的中间过程部分脱锂的正极材料

同时存在磷酸铁锂与磷酸铁两种相位。通过

建立三维层析成像的模型建立与分析，由磷

酸铁组成的外壳包围由磷酸铁锂组成的核心

的“外壳-核心结构”模型最适合解释该实验

所得结果。分析表明在脱锂的过程中，核心

部分的磷酸铁锂慢慢的变小直至最终消失。

作者预见利用类似的实验方法可以对更微小的纳米结构材料进行电化学相变的研究。该实验表明散射

型近场光学技术对电化学材料与界面性质的表征具有远大前景。

纳米傅里叶变换红外光谱对外太空矿物质化学结构分析

红外光谱学被广泛应用于物质化学结构的

分析。然而由于红外光衍射极限的存在，

传统傅里叶红外光谱学对于亚微米尺寸自

然界物质的研究受到限制。

G.Dominguez等人利用Neaspec公司的纳

米傅里叶变换红外光谱系统(Nano-FTIR)

对来自美国NASA项目提供的外太空彗星尘

埃样品成功实施了亚微米级分辨率的红外

近场成像，红外吸收光谱的测量。通过分

析所得红外光谱，证明该彗星尘埃的化学

结构包含硅酸镁石晶体结构、钙钠长石晶

体结构和无定型态结构等。

这是第一次利用纳米级分辨率的红外光谱

技术得到红外吸收光谱来定量的研究与鉴

定星球化学结构组分的研究。

G. Dominguez et al., Nature Comm 6445, 5:5455 (2014)

作者预见结合红外散射型近场成像与纳米傅里叶变换红外光谱技术(NanoFTIR)可以研究更多的矿物质结构

，有机物结构等。由于红外光谱对样品的无损特性，该技术在微小与珍贵样品的化学结构分析方面有广泛

的应用前景 。

基于同步辐射光源的纳米傅里叶变换红外光谱分析半导体材料

P. Hermann et al., Optics Express 22, 17948, (2014).

在近年的近场光学研究中使用的不同光源

包括较窄波长范围的连续可调的气体激光

光源，热激发光源，量子级联激光与同步

辐射光源。然而，结合同步辐射光源与近

场光学的光谱分析技术需要更多的实验研

究。

相比一般普通热激发光源，同步辐射光源

可以提供覆盖近红外到远红外波段的连续

宽频光谱，而且同步辐射光源具有非常好

的光学偏振性与亮度。

P.Hermann等人将Neaspec公司的纳米傅

里叶红外光谱系统(Nano-FTIR)与同步辐

射光源相结合，对常见的半导体器件与薄

膜材料包括碳化硅、二氧化硅、二氧化钛

与氮化硅进行了红外吸收光谱的研究。结

果表明，使用同步辐射光源也能对半导体

材料化学结构进行准确的分析，而且可以

获得纳米尺度的超高分辨率。

该实验结果表明，使用超宽频率的同步辐射光源也可以进行近场光学的研究。而且同步辐射的近

场光学实验结果也可以达到可与原子力显微镜相比较的超高分辨率。

纳米超快傅里叶变换太赫兹光谱对于纳米线的研究

超快太赫兹光谱对量子限制、第一级相

变、高温超导与纳米材料中的载流子传输

等现象都提供了深入并且关键的证据。然

而，传统的太赫兹光谱对于纳米晶体材料

的研究受到光学衍射极限的限制。

对于单个纳米晶体结构的超快机制研究需

要更多的研究。

M.Eisele等人结合Neaspec公司的散射式

近场光学成像技术（NeaSNOM)与超快太

赫兹光源研究了光致激发的单根砷化铟纳

米线表面的受到时间影响的介电函数性

质。该实验的太赫兹光谱同时达到了10纳

米的空间分辨率与10飞秒的时间分辨率。

纳米线随着泵浦延迟与电光采样延迟的电

场强度被具体表征。实验结果可以与德鲁

特模型模拟结果合理吻合。因此，作者揭

示了纳米线中耗尽层的超快（小于50飞

秒）形成机制。

M. Eisele et al., Nature Photonics 8, 841-845, (2014).

作者预见这种纳米超快傅里叶变换太赫兹光谱方法可以能够应用于物理、化学和生物变化过程中的

超快机制的研究。

部分发表文章

Nature 487, p. 82 (2012)

Nature 487, p. 77 (2012)

Nature Communications 5:4101 (2014)

Nature Communications 5:5455 (2014)

Nature Communications 4, 2890 (2013)

Nature Communications 3, p.684 (2011)

Nature Materials 14, 421-425 (2015)

Nature Materials 10, 352-356 (2011)

Nature Photonics 8, 919-926, (2014)

Nature Photonics 8, 841-845, (2014)

Nature Nanotechnology 8,821–825, (2013)

S. Dai et al. 343, 1125-1129, (2014)

P. Alonso et al. 344,1369-1371 (2014)

Small (Cover article) 7, p. 2341(2011)

Science Express 22, p1 (2014)

Nano letters 15, 1-7 (2015)

Nano Letters 501207 (2014)

Nano letters, 13, p.6210 (2013)

Nano letters, 13, p.1065 (2013)

Nano letters 12, p. 3973 (2012)

Nano letters 11, p.5333 (2011)

Nano letters 11, p.4701 (2011)

国内外部分用户

AFM 样品位移和扫描台

样品粗定位范围

分辨率

样品闭环扫描范围

扫描精度:

扫描速度

成像时间

最大样品尺寸

Z轴样品扫描器

Z方向最大范围

X ≥ 15 mm, Y ≥15 mm, and Z ≥ 8 mm

< 200nm(X,Y):

100 µm x 100 µm

0.2 nm (开环), 0.4 nm (闭环)

最大20 µm/s

25s (100X100pixel= 1x1um图像)

40 x 50 x 15 mm (X,Y,Z)

≤ 0.2 nm 噪音限制分辨率 (RMS)

2.5 µm

AFM 探头

探测模式

光学信号收集角

探头位移范围

位移精度

AFM探针要求

半接触模式，接触模式可选

水平方向180°&垂直方向 60°

X = 30 mm, Y = 3 mm, Z = 4 mm

<200nm

共振频率≤500kHz

高分辨率光学亮场显微镜

分辨率

对角线视野

CCD像素

<0.8um

约0.75mm

5百万像素

AFM-Tip照明和光收集单元(s-SNOM)

光束聚焦和收集单元

标准光学光圈

抛面镜位移范围

兼容波长

专利保护的抛面反射物镜设计

NA = 0.39，可升级0.47

X,Y,Z = 4 mm，精度<100nm

可兼容可见、红外和THz激发波长激光

近场光学指标

可见光光谱照明单元 600-1100 nm

近红外光谱照明单元 1100-2300 nm

中红外光谱照明单元 600-2200cm-1

THz-TDS光谱照明单元 0.1-3 THz

光学空间分辨率 10-30nm取决于AFM针尖实际状态

光学光谱分辨率 6.4 cm-1, 可升级 3.2cm-1

采谱速率 3 spectra/s max. *光谱照明单元包括激光器，探测器，光路光学元件等

NeaSNOM主要技术参数

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