近日，华中科技大学物理学院陈学文教授带领的量子纳米光子学团队在极端尺度光物理和光场调控的实验研究方面取得重要进展，揭示了基片亚纳米级的表面起伏可在高灵敏度光学显微图像中产生显著且确定的散斑，创新性地提出基片光学指纹这一概念，并据此展示基片横向绝对位置识别和相对位移的无标记精密检测，测量精度可达0.22 nm。该成果以“Optical Fingerprint of Flat Substrate Surface and Marker-Free Lateral Displacement Detection with Angstrom-Level Precision”为题、于2022年11月15日发表在Physical Review Letters上。物理学院博士生林树培、何勇博士（2021年毕业）为该论文共同第一作者，硕士生冯德龙、捷克科学院光子学与电子学研究所Marek Piliarik研究员作出了重要贡献，陈学文教授为该论文的唯一通讯作者，华中科技大学为第一完成单位。

基片是现代光学显微和半导体集成芯片必要的组成部分。在光学显微领域，基片用于放置被观测的样品，因此所得的信号必然同时包含样品的信息和基片特征的影响，特别是在干涉光学显微图像（包括相衬显微镜、全息显微镜、Nomarski显微镜等）中其图像由基片表面的反射(或透射)与样品的散射干涉产生。原则上，如若基片的形貌和材料精确已知，可以将基片的影响从测量结果中剔除，分离得到样品的信号。因此，高灵敏度的显微镜通常采用极其平坦的基片（例如玻片），其表面粗糙度通常小于0.5 nm，甚至可达埃米级。然而，即使采用如此平整的基片，干涉散射显微镜得到的图像仍然显示杂乱无章、看似随机的散斑图案。近二十年来，研究人员对散斑来源猜测众说纷纭，例如源于照明光的非均匀性、光路中的灰尘、无法消除的杂散光、基片的表面起伏等，或者是其中几种因素的结合，但始终没有确定性的研究证明。在现实应用中，散斑限制了检测纳米颗粒的灵敏度，例如，无法直接使用光学显微镜探测到稳定附着在玻片表面直径小于15 nm的颗粒。因此，破解散斑的起源之谜，研究抑制散斑的影响，并进一步利用散斑，具有重要的科学和应用意义。

陈学文教授团队带领的量子纳米光子学团队基于干涉散射显微实验测量、原子力显微镜形貌测量和此前发展的干涉散射显微成像多尺度理论模型[J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 274002 (2021)]，揭示高灵敏度光学显微图像中的散斑主要源自玻片表面埃米级的形貌起伏。埃米级的表面起伏，与15 nm直径的金颗粒，二者尺寸相差两个数量级，但是产生的远场光学背景和信号却不相上下，有违直觉：一层亚纳米非共振的介质竟能产生如此显著的远场光学响应？为破解其中奥秘，该团队通过细致测量与研究，发现玻片表面形貌的埃米级起伏分布具有明显的不均匀性，表面上有些区域像隆起的“丘陵”（高度大于0），另外一些区域却是低陷的“峡谷”（高度小于0），它们的横向尺寸在200nm左右。因此表面起伏导致的光学散射体体积波动与几十纳米的球体相当，导致的散斑背景可与15 nm金颗粒的信号比拟，这一物理图景在论文中通过感应偶极模型得到了证明。该团队还指出，由于基片每个区域表面亚纳米级起伏形成的形貌具有独特性、而且不随时间变化变化，因此其导致的散斑图案可被视为各区域的光学指纹。该团队并进一步实验演示了光学指纹的两种应用：基片横向绝对位置的识别和横向位移的无标记监测。

在基片横向绝对位置的识别演示实验中，该团队通过提前记录玻片特定区域的散斑图案，将其作为作为光学指纹，实现了对该区域经过不同工序后的重复识别，在确定位置探测到小至5 nm的金颗粒，其干涉信号是原始散斑背景的1/30，突破了散斑背景的限制。

图1. 利用基片形貌的光学指纹，实现基片横向位移的无标记监测，精度可达0.22 nm

在使用光学指纹进行基片的无标记横向位移检查演示实验中，该团队使用压电位移平台移动玻片，在x方向和y方向平均每6 s移动4nm，全过程记录1个9 μm×9 μm区域的干涉散射显微图像，并分成9个子区域，根据散斑的移动，表征玻片的运动轨迹，如图1a所示。各子区域无重叠部分，光学指纹不会相互干扰，因此所有测量结果是相互独立的。而且，所有子区域的移动都是玻片整体运动导致的，所以测得的运动轨迹全都应当与压电位移平台的移动保持一致。将光学测量结果与压电位移平台的读数进行对比，可以判断测量结果的准确性与稳定性。图2b展示了测量结果，实心三角形代表压电位移平台的读数，实心圆代表整个大区域的测量值，其它标记代表9个子区域的测量值，颜色表示不同时间点的数据。为了方便对比，将其中6个时间点的数据放大（范围半径均为0.5 nm）。从图2b可以看出，在全过程中，光学测量结果与压电位移平台的读数一致，9组独立测量结果不确定度仅为0.22 nm。

该工作基于详实有力的实验与理论研究，揭示了基片表面“亚纳米”的起伏可产生显著的远场效应，破解了基片表面在光学干涉显微中形成散斑的谜团，并给出清晰的物理图像，即散斑主要源于基片表面“埃米级”起伏产生的确定性的光学图样，并给出了清晰的物理图像，即表面起伏形成横向尺寸可达数百纳米的“丘陵”和“峡谷”，其体积波动与几十纳米的球体相当，因而产生的光学背景可与15 nm金颗粒的信号比拟。该工作进一步指出：对给定的基片表面区域，散斑图案是具有独特性、确定性、不随时间变化等特定，因此可被视作该区域的光学指纹。利用基片的光学指纹，实现了对同一区域经过不同工序后的重复识别，在确定位置探测到小至5 nm的金纳米颗粒，其光学信号是原始散斑背景的1/30，突破了散斑背景的限制。该团队更进一步基于基片的光学指纹，实现了精度达0.22 nm的基片横向位移无标记监测。高精度的基片横向位移监测，在超分辨光学显微定位技术和半导体芯片多过程精密加工技术具有极其重要应用，基于这项技术可以测量和补偿基片的漂移，在高精度半导体加工流程中实现高精度横向对准、堆叠和封装。该方法具有无标记和装置简易的显著优势。

该成果得到了国家自然科学基金国际合作与交流项目（基金号12011530395）、面上项目（基金号11874166），华中科技大学，捷克科学基金（项目号22-11753S）和捷克科学院双边合作项目（项目号NSFC-21-18）的资助。在研究工作开展过程中也得到了物理学院唐建伟副教授、博士生焦楠方的协助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.213201

新闻链接：http://news.hust.edu.cn/info/1003/47097.htm

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