微区光谱系统搭建与应用研究型教学实验

倪振华,周梦凡,戴玉蓉

(东南大学 物理学院，江苏 南京 211189)

实验教学是培养应用型、研究型人才的重要途径，对学生创新能力和研究性思维的培养有着不可取代的作用[1]. 目前部分高校对学生实验能力的培养还较为传统，开放式和创新性的实验较少. 对于高年级本科生和研究生来说，实验教学应紧跟科技前沿，实现培养研究型人才的目标. 传统的光学实验要求学生简单调试光路后重复采集数据，而研究型光学实验将相关的科研进展、研究思维、科研方法渗透其中[2]，通过科学原理、应用实验和拓展实验的有机结合来提高实验教学的系统性，更好地培养学生的动手能力和创新能力，满足高年级本科生和研究生的培养目标[3].

随着后摩尔时代的到来以及柔性可穿戴设备的高速发展，人们对微型化、多功能、集成化的微纳米器件的需求日益高涨. 近年来，一大批新型低维纳米材料(如量子点、纳米线、二维材料等)相继涌现，并展现出了优异的性能. 微区光谱系统，又称显微光谱系统，是在显微镜的基础上结合了光谱分析系统，能够实现微米级样品区域的反射、透射、荧光、拉曼等光谱分析，已经被广泛应用于低维纳米材料的光学性能研究[4]. 因此，以科研实验室搭建和使用的精密微区光谱系统为基础设计了研究型实验，旨在促进科研与实验教学相融合，为学生提供系统的科研训练平台，培养创新型人才. 该实验设计从光学实验原理入手，鼓励和引导学生利用光学元件搭建显微系统和光谱采集系统，实现微区反射光谱、荧光光谱以及对比度光谱的采集. 在基础实验设计之余，鼓励学生进一步利用微区光谱系统进行拓展实验，如根据荧光峰位推算未知合金样品的化学式,判定石墨烯材料的层数，提高教学实验与科技前沿的对接与交融程度. 同时，在“搭乐高”似的实验过程中学生可以探索多种优化光路的方案，既解决了传统光学实验缺乏灵活性、趣味性的问题，又有利于提高学生的动手能力与探究能力.

1 实验设计与实施

实验的设计主要分为2部分：光路系统搭建以及光谱采集与分析.

1.1 实验原理及光路系统搭建

微区光谱系统的本质是在光学显微镜的基础上增加光谱采集功能，需要完成显微光路与光谱采集光路的一体化搭建. 图1为该系统的光路示意图，主要包含照明光路、激光光路、显微和光谱采集光路，所需的光学元件见表1，可根据实验要求和成本选择不同精度的元件.

图1 微区光谱系统的光路示意图

表1 光学元件汇总

显微光路的搭建是微区可视化的关键，其工作原理如图2(a)所示. 显微镜的主要结构包括目镜、物镜以及照明光路. 物体AB置于物镜焦点附近，物距应略大于物镜的焦距. 经过物镜折射后，放大的实像A1B1与目镜的距离略小于目镜的焦距. 经过目镜折射后，人眼或者CCD图像传感器最终接收到放大的虚像A2B2[5-6]. 考虑到实验的简便性和实用性，可以使用凸透镜3配合CCD图像传感器在电脑端进行可视化成像，从而替代人眼通过目镜观察.

该系统主要应用于低维纳米材料的光学性质研究，这些低维材料大多需要依附于非透明的衬底，所以参照反射式显微镜的结构引入照明光路. 实验中使用的白光照明光源经由光纤及其耦合器接入光路，有一定的发散角，因而需要先对白光光束进行整形. 整形原理如图2(b)所示，使用2个凸透镜将发散光整形为平行光，并且通过光阑截取所需光斑大小. 其中凸透镜1作为聚焦镜，凸透镜2作为准直镜，两者之间距离应大于其焦距之和[7]. 调节透镜与光源之间的距离直至光斑大小基本不随距离而改变. 照明光经由1组反射镜来调节准直性，随后通过分光镜1和2会入显微测试光路.

(a)显微镜的光路示意图 (b)整形原理图图2 显微镜及其照明光路原理

本系统使用波长为532 nm的激光器作为荧光激发光源，为了保证搭建过程的安全，在激光出光口使用衰减片降低激光功率使其小于10 mW，并且要求操作者佩戴护目镜. 如果激光器的起始位置较低，可以使用1组可调抬高镜实现激光与白光的等高共轴调节，随后在分光镜1处实现激光与白光的合束并引入显微和光谱采集光路. 搭建过程中需使用水平仪调整分光镜2和3以及凸透镜3水平. 样品上的反射光和荧光信号经分光镜3，并利用凸透镜4和光纤耦合器引入便携式光谱仪. 搭建过程中，需要特别注意激光和白光的共聚焦性、准直性和共轴性，可通过放置光阑(或小孔)进行初步调节，并结合CCD成像进行精细校准. 共聚焦即激光光斑聚焦最小的同时显微镜成像最清晰；共轴要求激光光斑位于光学成像的中心；准直性则表现为脱焦-聚焦的过程中，光学成像和激光光斑均匀地放大和缩小.

搭建完成的微区光谱系统光路实物图如图3所示，可以进行微区结构的样品显微成像：10倍物镜下可以观察到头发的毛鳞片结构，如图4所示；50倍物镜下可以观察到化学气相沉积法生长获得的单层WS2纳米片规则的正三角形状，如图5所示.

图3 微区光谱系统光路实物照片

图4 10倍物镜下头发的显微图像

图5 50倍物镜下单层WS2的显微图像

1.2 光路校正及光谱采集分析

微区光谱系统搭建完成后，利用红宝石的荧光光谱对光路进行校正，并用于研究低维纳米材料的光学性质，如二维钙钛矿的荧光光谱、石墨烯的反射和对比度光谱等.

1.2.1 光路校正及荧光光谱采集

在实验光路搭建完成后，需要根据光谱信号的强度进一步对光路进行精细校准，以便将微区光谱系统的信号收集效率调至最佳状态. 本系统使用便携式光栅光谱仪，其采集光谱的信噪比不及科研实验室使用的高精度光谱仪，但基本能满足教学实验的要求[8].

实验采用的便携式光栅光谱仪通过光纤接收样品的反射光，学生需实时观察动态输出光谱强度并微调光纤耦合器，直至达到最佳耦合状态. 在532 nm激光照射下，红宝石能够产生较强的荧光发射(图6)，是进行光路校正的理想材料. 学生可参照红宝石的荧光强度，微调光路至信号收集效率最高，并采集光谱(图7). 实验中红宝石样品的荧光峰位分别位于691.3 nm和692.6 nm，与文献报道结果吻合良好[9].

图6 532 nm激发下的红宝石发光

图7 红宝石的荧光光谱

校准完成后，学生可尝试采集低维纳米材料的荧光光谱. 二维钙钛矿是新型低维纳米材料，具有较强的荧光发射特性. 实验中以机械剥离法制备的二维钙钛矿样品(BA2MA3Pb4I13)为测试对象，实验步骤如下：

1)使用低倍物镜(10×)找到测试区域；

2)高倍物镜(50×)下将激光聚焦到样品上；

3)设置好测试软件上积分时间等参量，然后采集光谱.

样品的显微图像及荧光光谱如图8和图9所示. 实验中采集到的二维钙钛矿的荧光峰位于652.3 nm，与文献报道结果吻合良好[10].

图8 50倍物镜下二维钙钛矿的显微图像

图9 二维钙钛矿的荧光光谱

1.2.2 反射光谱采集

实验中使用300 nm SiO2/Si衬底和镀金薄膜(30 nm)作为测试对象，并利用高反射率的银镜获取白光光源的光谱，进而比较三者的反射光谱. 实验步骤如下：

1)将白光照射在测试区域，通过光阑控制采集区域；

2)采集样品的白光反射光谱，如图10所示.

图10 银镜、镀金薄膜和300 nm SiO2/Si的反射光谱

通过反射光谱可以看出不同材料在不同波段的反射率不同，300 nm SiO2/Si的反射率明显低于银镜和镀金膜.

1.2.3 石墨烯对比度测试

石墨烯与衬底的光学对比度(也称为衬度)是原子层厚度的石墨烯能够被观察和分辨的关键. 对比度光谱是目前常用的无损、准确且高效的二维材料层数判定方法[11]. 实验中使用机械剥离法制备的300 nm SiO2/Si衬底上的单层(图11的区域1)以及多层石墨烯(图11的区域2)作为测试对象.

图11 10倍物镜下石墨烯样品的显微图像(插图是50倍物镜下单层石墨烯的放大图像)

对比度光谱采集实验步骤如下：

1)采集衬底的反射光谱，并且标记为R0(λ)；

2)采集石墨烯样品的反射光谱，并且标记为R(λ)，反射光谱如图12所示；

图12 单层石墨烯、多层石墨烯及衬底的反射光谱

图13 单层石墨烯和多层石墨烯的对比度光谱

对所采数据处理和分析发现，在560 nm左右有明显的对比度峰，且石墨烯层数越多，峰强越强，与文献报道结果吻合良好[11].

2 研究型实验教学的实施方法与拓展应用

研究型教学实验注重系统化的科研训练，从课前预习、课堂操作，到课后数据处理、报告撰写以及拓展性实验，该过程能够全面提升学生的科研实践能力. 课前预习要求学生了解微区光谱系统的工作原理，并熟悉光学元件和仪器的使用方法及注意事项，侧重于学生自主学习能力的培养. 课堂操作要求学生能够独立搭建信号采集效率良好的微区光路，并根据实验要求采集不同样品的光谱，主要培养学生实践操作和动手能力. 课后的数据分析与报告撰写要求学生能够熟练使用数据处理软件(Excel, Origin等)，通过查阅文献分析实验材料的光学性质，最终在实验报告中进行综合性的总结，培养学生的逻辑能力和思考能力.

根据实验完成情况和学生能力水平，可进一步提高实验的探究性和应用性，该研究型实验可拓展以下内容：

1)通过荧光光谱推算低维合金材料的化学式. 低维合金材料中不同的组分会导致不同的光学性质，且荧光峰位会根据组分的变化而移动. 在已知合金的组成元素的情况下，通过合金样品的荧光峰位推算出合金的化学组分. 根据文献[12]，化学式为ABxC1-x样品的光学带隙满足：

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

[xEg(AC)-b]+bx2,

其中,Eg为光学带隙，b为已知常量. 利用荧光光谱采集获得合金的光学带隙Eg(ABxC1-x)，并将2种组分材料的光学带隙Eg(AB)和Eg(AC)代入上式，即可得到待测合金样品的化学组分和化学式.

2)利用对比度光谱测定石墨烯材料的层数. 石墨烯材料的层数决定了其性质，包括载流子迁移率、光吸收及热传导等. 然而，仅凭肉眼观察很难准确地判断层数. 根据文献[11]报道，300 nm SiO2/Si衬底上的石墨烯对比度光谱随层数会有固定的变化趋势，学有余力的学生可通过课下查阅相关文献，与课上采集到的多层石墨烯对比度光谱进行比对，从而准确判定石墨烯的层数.

3)考虑到操作难度，本实验使用的光路相对于科研实验室使用的微区光谱系统进行了简化，没有对采集效率等进行最优化，具有很大的提升空间. 针对现有光路中可能存在的问题，如收集效率低、显微视野小等，学生可以自由探索并提出多种优化光路的方案.

该实验教学自2016年开设，教学对象为高年级本科生和一年级研究生，已完成5届教学实践，学生反馈良好. 该实验为本科生所承担的国、省、校三级大学生创新创业训练计划项目(SRTP)提供了系统的科研训练平台，为有志于低维材料研究的学生打下了良好的实验研究基础.

3 结束语

以科研实验室所使用的精密微区光谱系统为基础，引导学生自主搭建微区光谱系统，并完成对低维纳米材料的荧光光谱、反射光谱以及对比度光谱的测试. 实验过程中注重培养学生的动手操作能力、自主学习能力，鼓励学生发现问题、解决问题，学以致用. 充满趣味性和探究性的实验过程激发了学生的科研兴趣，也为学生将来从事相关科研工作打下了良好的基础.