近日，華中科技大學(xué)物理學(xué)院陳學(xué)文教授帶領(lǐng)的量子納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)在極端尺度光物理和光場(chǎng)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)研究方面取得重要進(jìn)展，揭示了基片亞納米級(jí)的表面起伏可在高靈敏度光學(xué)顯微圖像中產(chǎn)生顯著且確定的散斑，創(chuàng)新性地提出基片光學(xué)指紋這一概念，并據(jù)此展示基片橫向絕對(duì)位置識(shí)別和相對(duì)位移的無(wú)標(biāo)記精密檢測(cè)，測(cè)量精度可達(dá)0.22 nm。該成果以“Optical Fingerprint of Flat Substrate Surface and Marker-Free Lateral Displacement Detection with Angstrom-Level Precision”為題、于2022年11月15日發(fā)表在Physical Review Letters上。物理學(xué)院博士生林樹培、何勇博士（2021年畢業(yè)）為該論文共同第一作者，碩士生馮德龍、捷克科學(xué)院光子學(xué)與電子學(xué)研究所Marek Piliarik研究員作出了重要貢獻(xiàn)，陳學(xué)文教授為該論文的唯一通訊作者，華中科技大學(xué)為第一完成單位。

基片是現(xiàn)代光學(xué)顯微和半導(dǎo)體集成芯片必要的組成部分。在光學(xué)顯微領(lǐng)域，基片用于放置被觀測(cè)的樣品，因此所得的信號(hào)必然同時(shí)包含樣品的信息和基片特征的影響，特別是在干涉光學(xué)顯微圖像（包括相襯顯微鏡、全息顯微鏡、Nomarski顯微鏡等）中其圖像由基片表面的反射(或透射)與樣品的散射干涉產(chǎn)生。原則上，如若基片的形貌和材料精確已知，可以將基片的影響從測(cè)量結(jié)果中剔除，分離得到樣品的信號(hào)。因此，高靈敏度的顯微鏡通常采用極其平坦的基片（例如玻片），其表面粗糙度通常小于0.5 nm，甚至可達(dá)埃米級(jí)。然而，即使采用如此平整的基片，干涉散射顯微鏡得到的圖像仍然顯示雜亂無(wú)章、看似隨機(jī)的散斑圖案。近二十年來(lái)，研究人員對(duì)散斑來(lái)源猜測(cè)眾說(shuō)紛紜，例如源于照明光的非均勻性、光路中的灰塵、無(wú)法消除的雜散光、基片的表面起伏等，或者是其中幾種因素的結(jié)合，但始終沒有確定性的研究證明。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，散斑限制了檢測(cè)納米顆粒的靈敏度，例如，無(wú)法直接使用光學(xué)顯微鏡探測(cè)到穩(wěn)定附著在玻片表面直徑小于15 nm的顆粒。因此，破解散斑的起源之謎，研究抑制散斑的影響，并進(jìn)一步利用散斑，具有重要的科學(xué)和應(yīng)用意義。

陳學(xué)文教授團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)的量子納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)基于干涉散射顯微實(shí)驗(yàn)測(cè)量、原子力顯微鏡形貌測(cè)量和此前發(fā)展的干涉散射顯微成像多尺度理論模型[J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 274002 (2021)]，揭示高靈敏度光學(xué)顯微圖像中的散斑主要源自玻片表面埃米級(jí)的形貌起伏。埃米級(jí)的表面起伏，與15 nm直徑的金顆粒，二者尺寸相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但是產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)背景和信號(hào)卻不相上下，有違直覺：一層亞納米非共振的介質(zhì)竟能產(chǎn)生如此顯著的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)響應(yīng)？為破解其中奧秘，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)細(xì)致測(cè)量與研究，發(fā)現(xiàn)玻片表面形貌的埃米級(jí)起伏分布具有明顯的不均勻性，表面上有些區(qū)域像隆起的“丘陵”（高度大于0），另外一些區(qū)域卻是低陷的“峽谷”（高度小于0），它們的橫向尺寸在200nm左右。因此表面起伏導(dǎo)致的光學(xué)散射體體積波動(dòng)與幾十納米的球體相當(dāng)，導(dǎo)致的散斑背景可與15 nm金顆粒的信號(hào)比擬，這一物理圖景在論文中通過(guò)感應(yīng)偶極模型得到了證明。該團(tuán)隊(duì)還指出，由于基片每個(gè)區(qū)域表面亞納米級(jí)起伏形成的形貌具有獨(dú)特性、而且不隨時(shí)間變化變化，因此其導(dǎo)致的散斑圖案可被視為各區(qū)域的光學(xué)指紋。該團(tuán)隊(duì)并進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)演示了光學(xué)指紋的兩種應(yīng)用：基片橫向絕對(duì)位置的識(shí)別和橫向位移的無(wú)標(biāo)記監(jiān)測(cè)。

在基片橫向絕對(duì)位置的識(shí)別演示實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)提前記錄玻片特定區(qū)域的散斑圖案，將其作為作為光學(xué)指紋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該區(qū)域經(jīng)過(guò)不同工序后的重復(fù)識(shí)別，在確定位置探測(cè)到小至5 nm的金顆粒，其干涉信號(hào)是原始散斑背景的1/30，突破了散斑背景的限制。

圖1. 利用基片形貌的光學(xué)指紋，實(shí)現(xiàn)基片橫向位移的無(wú)標(biāo)記監(jiān)測(cè)，精度可達(dá)0.22 nm

在使用光學(xué)指紋進(jìn)行基片的無(wú)標(biāo)記橫向位移檢查演示實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)使用壓電位移平臺(tái)移動(dòng)玻片，在x方向和y方向平均每6 s移動(dòng)4nm，全過(guò)程記錄1個(gè)9 μm×9 μm區(qū)域的干涉散射顯微圖像，并分成9個(gè)子區(qū)域，根據(jù)散斑的移動(dòng)，表征玻片的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖1a所示。各子區(qū)域無(wú)重疊部分，光學(xué)指紋不會(huì)相互干擾，因此所有測(cè)量結(jié)果是相互獨(dú)立的。而且，所有子區(qū)域的移動(dòng)都是玻片整體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，所以測(cè)得的運(yùn)動(dòng)軌跡全都應(yīng)當(dāng)與壓電位移平臺(tái)的移動(dòng)保持一致。將光學(xué)測(cè)量結(jié)果與壓電位移平臺(tái)的讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以判斷測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。圖2b展示了測(cè)量結(jié)果，實(shí)心三角形代表壓電位移平臺(tái)的讀數(shù)，實(shí)心圓代表整個(gè)大區(qū)域的測(cè)量值，其它標(biāo)記代表9個(gè)子區(qū)域的測(cè)量值，顏色表示不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。為了方便對(duì)比，將其中6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)放大（范圍半徑均為0.5 nm）。從圖2b可以看出，在全過(guò)程中，光學(xué)測(cè)量結(jié)果與壓電位移平臺(tái)的讀數(shù)一致，9組獨(dú)立測(cè)量結(jié)果不確定度僅為0.22 nm。

該工作基于詳實(shí)有力的實(shí)驗(yàn)與理論研究，揭示了基片表面“亞納米”的起伏可產(chǎn)生顯著的遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)，破解了基片表面在光學(xué)干涉顯微中形成散斑的謎團(tuán)，并給出清晰的物理圖像，即散斑主要源于基片表面“埃米級(jí)”起伏產(chǎn)生的確定性的光學(xué)圖樣，并給出了清晰的物理圖像，即表面起伏形成橫向尺寸可達(dá)數(shù)百納米的“丘陵”和“峽谷”，其體積波動(dòng)與幾十納米的球體相當(dāng)，因而產(chǎn)生的光學(xué)背景可與15 nm金顆粒的信號(hào)比擬。該工作進(jìn)一步指出：對(duì)給定的基片表面區(qū)域，散斑圖案是具有獨(dú)特性、確定性、不隨時(shí)間變化等特定，因此可被視作該區(qū)域的光學(xué)指紋。利用基片的光學(xué)指紋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一區(qū)域經(jīng)過(guò)不同工序后的重復(fù)識(shí)別，在確定位置探測(cè)到小至5 nm的金納米顆粒，其光學(xué)信號(hào)是原始散斑背景的1/30，突破了散斑背景的限制。該團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步基于基片的光學(xué)指紋，實(shí)現(xiàn)了精度達(dá)0.22 nm的基片橫向位移無(wú)標(biāo)記監(jiān)測(cè)。高精度的基片橫向位移監(jiān)測(cè)，在超分辨光學(xué)顯微定位技術(shù)和半導(dǎo)體芯片多過(guò)程精密加工技術(shù)具有極其重要應(yīng)用，基于這項(xiàng)技術(shù)可以測(cè)量和補(bǔ)償基片的漂移，在高精度半導(dǎo)體加工流程中實(shí)現(xiàn)高精度橫向?qū)?zhǔn)、堆疊和封裝。該方法具有無(wú)標(biāo)記和裝置簡(jiǎn)易的顯著優(yōu)勢(shì)。

該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作與交流項(xiàng)目（基金號(hào)12011530395）、面上項(xiàng)目（基金號(hào)11874166），華中科技大學(xué)，捷克科學(xué)基金（項(xiàng)目號(hào)22-11753S）和捷克科學(xué)院雙邊合作項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)NSFC-21-18）的資助。在研究工作開展過(guò)程中也得到了物理學(xué)院唐建偉副教授、博士生焦楠方的協(xié)助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.213201

新聞鏈接：http://news.hust.edu.cn/info/1003/47097.htm

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