電子設(shè)備的納米加工已達(dá)到單個(gè)納米級(10 -9 m)。納米科學(xué)和納米技術(shù)的飛速發(fā)展現(xiàn)在需要原子尺度的光譜學(xué)，以表征會(huì)影響電子設(shè)備特性和功能的原子結(jié)構(gòu)。

由分子科學(xué)研究所的熊谷隆領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了拉曼散射的巨大增強(qiáng)，這是由等離子體銀尖端和 Si(111)-7×7 重建表面之間形成的原子點(diǎn)接觸介導(dǎo)的。這是通過最先進(jìn)的低溫尖端增強(qiáng)拉曼光譜儀實(shí)現(xiàn)的，該光譜儀可以進(jìn)行原子級振動(dòng)光譜儀。

所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射增強(qiáng)機(jī)制將為原子級超靈敏振動(dòng)光譜研究半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)開辟可能性。此外，所開發(fā)的原子尺度光學(xué)顯微鏡將為探索原子尺度光-物質(zhì)相互作用鋪平道路，引領(lǐng)光科學(xué)與技術(shù)的新學(xué)科。

電子器件的超級集成已進(jìn)入單納米尺度，需要能夠詳細(xì)研究原子尺度結(jié)構(gòu)和缺陷的分析方法。掃描近場光學(xué)顯微鏡的進(jìn)步使得納米級成像和化學(xué)分析成為可能。最近，該技術(shù)的空間分辨率被證明可以達(dá)到原子尺度。特別是，尖端增強(qiáng)拉曼光譜作為超靈敏化學(xué)顯微鏡引起了越來越多的關(guān)注。然而，為了從半導(dǎo)體表面獲得拉曼信號，需要進(jìn)一步提高靈敏度。

研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用與弗里茨-哈伯研究所合作開發(fā)的最先進(jìn)的低溫尖端增強(qiáng)拉曼光譜，從硅表面獲取振動(dòng)光譜。尖端增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在材料和納米級光之間進(jìn)行了強(qiáng)烈的光-質(zhì)相互作用(局部表面等離振子共振)) 在原子級鋒利的金屬尖端產(chǎn)生。該研究小組發(fā)現(xiàn)，銀尖端和重建的Si(111)-7×7表面的原子點(diǎn)接觸形成導(dǎo)致拉曼散射的極大增強(qiáng)。圖 1a 說明了該實(shí)驗(yàn)。由聚焦離子束(圖 1b，頂部)制造的鋒利的銀尖端移向硅表面(圖 1b，底部)，同時(shí)監(jiān)測結(jié)的拉曼光譜。圖 1c 顯示了獲得的拉曼光譜的瀑布圖，其中橫軸代表拉曼位移，色標(biāo)代表拉曼強(qiáng)度。當(dāng)尖端處于隧穿狀態(tài)時(shí)，在520 cm -1處僅觀察到體硅的光學(xué)聲子模式. 然而，當(dāng)尖端和表面之間的原子點(diǎn)接觸時(shí)，突然出現(xiàn)來自表面聲子模式的強(qiáng)拉曼散射。當(dāng)尖端移離表面并且原子點(diǎn)接觸中斷時(shí)，這些模式再次消失。

研究小組進(jìn)一步證明，這種原子點(diǎn)接觸拉曼光譜(APCRS)可以解析硅表面的原子級結(jié)構(gòu)。如圖 2 所示，拉曼光譜在表面的原子級記錄時(shí)是不同的。此外，可以在局部氧化位點(diǎn)選擇性地觀察到特征振動(dòng)模式(圖 3)，表明原子點(diǎn)接觸拉曼光譜的原子級化學(xué)敏感性。

以前認(rèn)為，在尖端增強(qiáng)拉曼光譜中獲得超高靈敏度需要等離子體納米間隙，這通常需要金屬基板。這對可測量的樣本施加了嚴(yán)重的限制。原子點(diǎn)接觸形成的巨大拉曼增強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)將擴(kuò)大原子尺度振動(dòng)光譜的潛力，它適用于非等離子體樣品，并將為許多其他材料獲得特殊的化學(xué)敏感性。此外，我們的研究結(jié)果還表明，原子尺度結(jié)構(gòu)在金屬-半導(dǎo)體混合納米系統(tǒng)中起著不可或缺的作用，以影響其光電性能。

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