微區(qū)光譜系統(tǒng)搭建與應(yīng)用研究型教學(xué)實驗

倪振華,周夢凡,戴玉蓉

(東南大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 211189)

實驗教學(xué)是培養(yǎng)應(yīng)用型、研究型人才的重要途徑，對學(xué)生創(chuàng)新能力和研究性思維的培養(yǎng)有著不可取代的作用[1]. 目前部分高校對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)還較為傳統(tǒng)，開放式和創(chuàng)新性的實驗較少. 對于高年級本科生和研究生來說，實驗教學(xué)應(yīng)緊跟科技前沿，實現(xiàn)培養(yǎng)研究型人才的目標(biāo). 傳統(tǒng)的光學(xué)實驗要求學(xué)生簡單調(diào)試光路后重復(fù)采集數(shù)據(jù)，而研究型光學(xué)實驗將相關(guān)的科研進(jìn)展、研究思維、科研方法滲透其中[2]，通過科學(xué)原理、應(yīng)用實驗和拓展實驗的有機(jī)結(jié)合來提高實驗教學(xué)的系統(tǒng)性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，滿足高年級本科生和研究生的培養(yǎng)目標(biāo)[3].

隨著后摩爾時代的到來以及柔性可穿戴設(shè)備的高速發(fā)展，人們對微型化、多功能、集成化的微納米器件的需求日益高漲. 近年來，一大批新型低維納米材料(如量子點、納米線、二維材料等)相繼涌現(xiàn)，并展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能. 微區(qū)光譜系統(tǒng)，又稱顯微光譜系統(tǒng)，是在顯微鏡的基礎(chǔ)上結(jié)合了光譜分析系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)微米級樣品區(qū)域的反射、透射、熒光、拉曼等光譜分析，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于低維納米材料的光學(xué)性能研究[4]. 因此，以科研實驗室搭建和使用的精密微區(qū)光譜系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計了研究型實驗，旨在促進(jìn)科研與實驗教學(xué)相融合，為學(xué)生提供系統(tǒng)的科研訓(xùn)練平臺，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才. 該實驗設(shè)計從光學(xué)實驗原理入手，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生利用光學(xué)元件搭建顯微系統(tǒng)和光譜采集系統(tǒng)，實現(xiàn)微區(qū)反射光譜、熒光光譜以及對比度光譜的采集. 在基礎(chǔ)實驗設(shè)計之余，鼓勵學(xué)生進(jìn)一步利用微區(qū)光譜系統(tǒng)進(jìn)行拓展實驗，如根據(jù)熒光峰位推算未知合金樣品的化學(xué)式,判定石墨烯材料的層數(shù)，提高教學(xué)實驗與科技前沿的對接與交融程度. 同時，在“搭樂高”似的實驗過程中學(xué)生可以探索多種優(yōu)化光路的方案，既解決了傳統(tǒng)光學(xué)實驗缺乏靈活性、趣味性的問題，又有利于提高學(xué)生的動手能力與探究能力.

1 實驗設(shè)計與實施

實驗的設(shè)計主要分為2部分：光路系統(tǒng)搭建以及光譜采集與分析.

1.1 實驗原理及光路系統(tǒng)搭建

微區(qū)光譜系統(tǒng)的本質(zhì)是在光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上增加光譜采集功能，需要完成顯微光路與光譜采集光路的一體化搭建. 圖1為該系統(tǒng)的光路示意圖，主要包含照明光路、激光光路、顯微和光譜采集光路，所需的光學(xué)元件見表1，可根據(jù)實驗要求和成本選擇不同精度的元件.

圖1 微區(qū)光譜系統(tǒng)的光路示意圖

表1 光學(xué)元件匯總

顯微光路的搭建是微區(qū)可視化的關(guān)鍵，其工作原理如圖2(a)所示. 顯微鏡的主要結(jié)構(gòu)包括目鏡、物鏡以及照明光路. 物體AB置于物鏡焦點附近，物距應(yīng)略大于物鏡的焦距. 經(jīng)過物鏡折射后，放大的實像A1B1與目鏡的距離略小于目鏡的焦距. 經(jīng)過目鏡折射后，人眼或者CCD圖像傳感器最終接收到放大的虛像A2B2[5-6]. 考慮到實驗的簡便性和實用性，可以使用凸透鏡3配合CCD圖像傳感器在電腦端進(jìn)行可視化成像，從而替代人眼通過目鏡觀察.

該系統(tǒng)主要應(yīng)用于低維納米材料的光學(xué)性質(zhì)研究，這些低維材料大多需要依附于非透明的襯底，所以參照反射式顯微鏡的結(jié)構(gòu)引入照明光路. 實驗中使用的白光照明光源經(jīng)由光纖及其耦合器接入光路，有一定的發(fā)散角，因而需要先對白光光束進(jìn)行整形. 整形原理如圖2(b)所示，使用2個凸透鏡將發(fā)散光整形為平行光，并且通過光闌截取所需光斑大小. 其中凸透鏡1作為聚焦鏡，凸透鏡2作為準(zhǔn)直鏡，兩者之間距離應(yīng)大于其焦距之和[7]. 調(diào)節(jié)透鏡與光源之間的距離直至光斑大小基本不隨距離而改變. 照明光經(jīng)由1組反射鏡來調(diào)節(jié)準(zhǔn)直性，隨后通過分光鏡1和2會入顯微測試光路.

(a)顯微鏡的光路示意圖 (b)整形原理圖圖2 顯微鏡及其照明光路原理

本系統(tǒng)使用波長為532 nm的激光器作為熒光激發(fā)光源，為了保證搭建過程的安全，在激光出光口使用衰減片降低激光功率使其小于10 mW，并且要求操作者佩戴護(hù)目鏡. 如果激光器的起始位置較低，可以使用1組可調(diào)抬高鏡實現(xiàn)激光與白光的等高共軸調(diào)節(jié)，隨后在分光鏡1處實現(xiàn)激光與白光的合束并引入顯微和光譜采集光路. 搭建過程中需使用水平儀調(diào)整分光鏡2和3以及凸透鏡3水平. 樣品上的反射光和熒光信號經(jīng)分光鏡3，并利用凸透鏡4和光纖耦合器引入便攜式光譜儀. 搭建過程中，需要特別注意激光和白光的共聚焦性、準(zhǔn)直性和共軸性，可通過放置光闌(或小孔)進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，并結(jié)合CCD成像進(jìn)行精細(xì)校準(zhǔn). 共聚焦即激光光斑聚焦最小的同時顯微鏡成像最清晰；共軸要求激光光斑位于光學(xué)成像的中心；準(zhǔn)直性則表現(xiàn)為脫焦-聚焦的過程中，光學(xué)成像和激光光斑均勻地放大和縮小.

搭建完成的微區(qū)光譜系統(tǒng)光路實物圖如圖3所示，可以進(jìn)行微區(qū)結(jié)構(gòu)的樣品顯微成像：10倍物鏡下可以觀察到頭發(fā)的毛鱗片結(jié)構(gòu)，如圖4所示；50倍物鏡下可以觀察到化學(xué)氣相沉積法生長獲得的單層WS2納米片規(guī)則的正三角形狀，如圖5所示.

圖3 微區(qū)光譜系統(tǒng)光路實物照片

圖4 10倍物鏡下頭發(fā)的顯微圖像

圖5 50倍物鏡下單層WS2的顯微圖像

1.2 光路校正及光譜采集分析

微區(qū)光譜系統(tǒng)搭建完成后，利用紅寶石的熒光光譜對光路進(jìn)行校正，并用于研究低維納米材料的光學(xué)性質(zhì)，如二維鈣鈦礦的熒光光譜、石墨烯的反射和對比度光譜等.

1.2.1 光路校正及熒光光譜采集

在實驗光路搭建完成后，需要根據(jù)光譜信號的強(qiáng)度進(jìn)一步對光路進(jìn)行精細(xì)校準(zhǔn)，以便將微區(qū)光譜系統(tǒng)的信號收集效率調(diào)至最佳狀態(tài). 本系統(tǒng)使用便攜式光柵光譜儀，其采集光譜的信噪比不及科研實驗室使用的高精度光譜儀，但基本能滿足教學(xué)實驗的要求[8].

實驗采用的便攜式光柵光譜儀通過光纖接收樣品的反射光，學(xué)生需實時觀察動態(tài)輸出光譜強(qiáng)度并微調(diào)光纖耦合器，直至達(dá)到最佳耦合狀態(tài). 在532 nm激光照射下，紅寶石能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光發(fā)射(圖6)，是進(jìn)行光路校正的理想材料. 學(xué)生可參照紅寶石的熒光強(qiáng)度，微調(diào)光路至信號收集效率最高，并采集光譜(圖7). 實驗中紅寶石樣品的熒光峰位分別位于691.3 nm和692.6 nm，與文獻(xiàn)報道結(jié)果吻合良好[9].

圖6 532 nm激發(fā)下的紅寶石發(fā)光

圖7 紅寶石的熒光光譜

校準(zhǔn)完成后，學(xué)生可嘗試采集低維納米材料的熒光光譜. 二維鈣鈦礦是新型低維納米材料，具有較強(qiáng)的熒光發(fā)射特性. 實驗中以機(jī)械剝離法制備的二維鈣鈦礦樣品(BA2MA3Pb4I13)為測試對象，實驗步驟如下：

1)使用低倍物鏡(10×)找到測試區(qū)域；

2)高倍物鏡(50×)下將激光聚焦到樣品上；

3)設(shè)置好測試軟件上積分時間等參量，然后采集光譜.

樣品的顯微圖像及熒光光譜如圖8和圖9所示. 實驗中采集到的二維鈣鈦礦的熒光峰位于652.3 nm，與文獻(xiàn)報道結(jié)果吻合良好[10].

圖8 50倍物鏡下二維鈣鈦礦的顯微圖像

圖9 二維鈣鈦礦的熒光光譜

1.2.2 反射光譜采集

實驗中使用300 nm SiO2/Si襯底和鍍金薄膜(30 nm)作為測試對象，并利用高反射率的銀鏡獲取白光光源的光譜，進(jìn)而比較三者的反射光譜. 實驗步驟如下：

1)將白光照射在測試區(qū)域，通過光闌控制采集區(qū)域；

2)采集樣品的白光反射光譜，如圖10所示.

圖10 銀鏡、鍍金薄膜和300 nm SiO2/Si的反射光譜

通過反射光譜可以看出不同材料在不同波段的反射率不同，300 nm SiO2/Si的反射率明顯低于銀鏡和鍍金膜.

1.2.3 石墨烯對比度測試

石墨烯與襯底的光學(xué)對比度(也稱為襯度)是原子層厚度的石墨烯能夠被觀察和分辨的關(guān)鍵. 對比度光譜是目前常用的無損、準(zhǔn)確且高效的二維材料層數(shù)判定方法[11]. 實驗中使用機(jī)械剝離法制備的300 nm SiO2/Si襯底上的單層(圖11的區(qū)域1)以及多層石墨烯(圖11的區(qū)域2)作為測試對象.

圖11 10倍物鏡下石墨烯樣品的顯微圖像(插圖是50倍物鏡下單層石墨烯的放大圖像)

對比度光譜采集實驗步驟如下：

1)采集襯底的反射光譜，并且標(biāo)記為R0(λ)；

2)采集石墨烯樣品的反射光譜，并且標(biāo)記為R(λ)，反射光譜如圖12所示；

圖12 單層石墨烯、多層石墨烯及襯底的反射光譜

圖13 單層石墨烯和多層石墨烯的對比度光譜

對所采數(shù)據(jù)處理和分析發(fā)現(xiàn)，在560 nm左右有明顯的對比度峰，且石墨烯層數(shù)越多，峰強(qiáng)越強(qiáng)，與文獻(xiàn)報道結(jié)果吻合良好[11].

2 研究型實驗教學(xué)的實施方法與拓展應(yīng)用

研究型教學(xué)實驗注重系統(tǒng)化的科研訓(xùn)練，從課前預(yù)習(xí)、課堂操作，到課后數(shù)據(jù)處理、報告撰寫以及拓展性實驗，該過程能夠全面提升學(xué)生的科研實踐能力. 課前預(yù)習(xí)要求學(xué)生了解微區(qū)光譜系統(tǒng)的工作原理，并熟悉光學(xué)元件和儀器的使用方法及注意事項，側(cè)重于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng). 課堂操作要求學(xué)生能夠獨立搭建信號采集效率良好的微區(qū)光路，并根據(jù)實驗要求采集不同樣品的光譜，主要培養(yǎng)學(xué)生實踐操作和動手能力. 課后的數(shù)據(jù)分析與報告撰寫要求學(xué)生能夠熟練使用數(shù)據(jù)處理軟件(Excel, Origin等)，通過查閱文獻(xiàn)分析實驗材料的光學(xué)性質(zhì)，最終在實驗報告中進(jìn)行綜合性的總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯能力和思考能力.

根據(jù)實驗完成情況和學(xué)生能力水平，可進(jìn)一步提高實驗的探究性和應(yīng)用性，該研究型實驗可拓展以下內(nèi)容：

1)通過熒光光譜推算低維合金材料的化學(xué)式. 低維合金材料中不同的組分會導(dǎo)致不同的光學(xué)性質(zhì)，且熒光峰位會根據(jù)組分的變化而移動. 在已知合金的組成元素的情況下，通過合金樣品的熒光峰位推算出合金的化學(xué)組分. 根據(jù)文獻(xiàn)[12]，化學(xué)式為ABxC1-x樣品的光學(xué)帶隙滿足：

Eg(ABxC1-x)=(1-x)Eg(AB)+

[xEg(AC)-b]+bx2,

其中,Eg為光學(xué)帶隙，b為已知常量. 利用熒光光譜采集獲得合金的光學(xué)帶隙Eg(ABxC1-x)，并將2種組分材料的光學(xué)帶隙Eg(AB)和Eg(AC)代入上式，即可得到待測合金樣品的化學(xué)組分和化學(xué)式.

2)利用對比度光譜測定石墨烯材料的層數(shù). 石墨烯材料的層數(shù)決定了其性質(zhì)，包括載流子遷移率、光吸收及熱傳導(dǎo)等. 然而，僅憑肉眼觀察很難準(zhǔn)確地判斷層數(shù). 根據(jù)文獻(xiàn)[11]報道，300 nm SiO2/Si襯底上的石墨烯對比度光譜隨層數(shù)會有固定的變化趨勢，學(xué)有余力的學(xué)生可通過課下查閱相關(guān)文獻(xiàn)，與課上采集到的多層石墨烯對比度光譜進(jìn)行比對，從而準(zhǔn)確判定石墨烯的層數(shù).

3)考慮到操作難度，本實驗使用的光路相對于科研實驗室使用的微區(qū)光譜系統(tǒng)進(jìn)行了簡化，沒有對采集效率等進(jìn)行最優(yōu)化，具有很大的提升空間. 針對現(xiàn)有光路中可能存在的問題，如收集效率低、顯微視野小等，學(xué)生可以自由探索并提出多種優(yōu)化光路的方案.

該實驗教學(xué)自2016年開設(shè)，教學(xué)對象為高年級本科生和一年級研究生，已完成5屆教學(xué)實踐，學(xué)生反饋良好. 該實驗為本科生所承擔(dān)的國、省、校三級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(SRTP)提供了系統(tǒng)的科研訓(xùn)練平臺，為有志于低維材料研究的學(xué)生打下了良好的實驗研究基礎(chǔ).

3 結(jié)束語

以科研實驗室所使用的精密微區(qū)光譜系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生自主搭建微區(qū)光譜系統(tǒng)，并完成對低維納米材料的熒光光譜、反射光譜以及對比度光譜的測試. 實驗過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力、自主學(xué)習(xí)能力，鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，學(xué)以致用. 充滿趣味性和探究性的實驗過程激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，也為學(xué)生將來從事相關(guān)科研工作打下了良好的基礎(chǔ).