散射型扫描近场光学显微镜 —— 记录纳米尺度下光子与物质相互作用的摄影师
发布时间:2024年5月15日 分类:科普资讯 浏览量:247
作者:张启宇
背景介绍
二十世纪以来,摩尔定律逐渐逼近物理极限,纳米尺度的光电子集成器件以其高速、低功耗、小尺寸等优势受到广泛关注,纳米光子学发展迅速。极化激元能够实现纳米尺度上的光子操控和光与物质相互作用的调控,是纳米光子学的重要分支之一。新兴的二维材料为极化激元学提供了全新的操控平台,二维极化激元展现出丰富而新奇的物理现象。
极化激元是光与物质中的粒子或准粒子(电子、声子、激子或磁振子等)发生强耦合而形成的一种新的集体振荡模式。这种模式能够突破衍射极限将自由空间的光束缚在亚波长尺寸之内,显著增强光与物质的相互作用,实现纳米尺度上对光子的有效调控。最早被发现的极化激元是存在于贵金属中的等离极化激元,它是由光子与金属中自由电子集体振荡形成的等离激元相互作用产生。与传统贵金属相比,二维范德瓦耳斯原子晶体中的极化激元具有更强的局域能力和主观调控性,其共振频率几乎覆盖整个电磁场波段。根据材料种类和形成方式的不同,可以将极化激元分为多种类型:金属或掺杂半导体中的等离极化激元、极性晶体中的声子极化激元、半导体中的激子极化激元等,这些激元的色散和传播特性各不相同,且通常与介电函数ε密切相关【1,2】。

图1 金属表面等离子体与几种典型二维极化激元的关系[2]
传统光学成像技术受到阿贝衍射极限的限制,最佳分辨率约为入射波长的1/2,远不能满足纳米尺度下研究光学现象的需求,近场光学成像技术的发展弥补了这一缺口,其中最具有代表性的是散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)。通过将近场光学和扫描探针显微镜相结合,其成像分辨率不再依赖于入射波长,而是取决于针尖半径(通常为几十到百纳米量级),因此能够在纳米尺度上对被测样品进行表征。此外,由于二维极化激元具有极强的局域能力(kp>>k0),想要激发二维极化激元就必须提供足够大的动量补偿。在远场实验中,补偿动量的方式通常为加入周期性光栅,这对光栅的结构设计和加工精度有着极为苛刻的要求,且增加了实验的复杂度;而在近场实验中,由于针尖尖端的局部场增强效应,s-SNOM提供了广泛的面内动量,这一特性使得二维极化激元的激发和实空间成像成为可能。近年来,大量的工作已证实s-SNOM在二维极化激元领域的重要作用,极化激元的近场图像帮助学者更加直观且清晰地探究二维材料中新奇的物理现象和独特的色散行为。目前为止,s-SNOM仍然是获取二维极化激元近场强度和相位信息的唯一方式[1,3]。

图2 一个典型的配备可见或红外光源的s-SNOM 系统光路图[3]
s-SNOM在二维极化激元领域的应用
石墨烯中的表面等离极化激元(Surface Plasmon Polariton)
石墨烯因具有许多独特的物理性质和高度可调的优势而受到广泛关注。2012年,Fei等人[4]和Chen等人[5]分别在中红外频段(892 cm-1和980-1086 cm-1)使用s-SNOM观测到石墨烯中的等离极化激元。如图3a所示,入射光在针尖处汇聚并激发针尖下方石墨烯表面的等离极化激元(波长λp),该极化激元以柱面波的形式沿表面向各个方向传播,并在遇到边界后被反射。由针尖发射的极化波与边界反射波相互干涉形成波长为λp/2的稳定周期驻波,并被s-SNOM逐点扫描成像。实验表明,s-SNOM的纳米级针尖能够提供足够大的动量来激发石墨烯中的等离极化激元,且通过调节背栅电压能够实现对石墨烯中等离极化激元波长的调控。

图3 石墨烯等离极化激元的红外纳米成像实验及结果[4]

图4 利用s-SNOM成像传播和定域石墨烯等离子体[5]
表面声子极化激元(Surface Phonon Polariton)
2014年,Dai等人[6]成功使用中红外频段(1380-1580 cm-1)s-SNOM观测到极性晶体六方氮化硼(h-BN)中的表面声子极化激元,该激元同样会在边界反射并与极化波产生干涉条纹。与石墨烯中的等离极化激元相比,h-BN中的声子极化激元具有相当的光束缚能力和更小的传播损耗。

图5 h-BN表面声子极化子的实空间成像[6]
2018年,Ma等人[7]成功使用中红外频段(820-1010 cm-1)s-SNOM观测到α-MoO3中的表面声子极化激元。值得一提的是,α-MoO3是首次被发现天然具有面内双曲极化激元(图6a)的二维材料(εx·εy<0),这种特性导致光态密度的增强和沿表面的射线状定向传播,为纳米尺度下的光子操控提供了新思路。


图6 α-MoO3薄片的实时空间成像和纳米光谱以及α-MoO3圆盘中的平面内椭圆和双曲声子极化激元[7]
激子极化激元(Exciton Polariton)
2017年,Hu等人[8]使用红外频段(1.3-1.8 eV)的s-SNOM对TMDc材料体系中的典型代表MoSe2进行观测,成功激发出激子极化激元并绘制出其色散曲线,发现该二维材料的激子极化激元与材料厚度高度依赖,且传播长度对激发光子能量十分敏感。此外,他们还在色散曲线中发现有趣的反向弯曲现象。

图7 MoSe2平面波导的纳米光学成像及色散[8]
同年,Hu[9]等人分别使用1530nm和633nm频点的s-SNOM对MoS2和h-BN进行激发,利用近场成像图中的干涉条纹周期反推了MoS2和h-BN在特定频点的介电常数。结果表明,MoS2具有强大的面外各向异性,该工作证实了s-SNOM在表征二维材料各向异性的巨大潜力。


图8 MoS2近场成像原理和结果以及反推出的面内/面外介电常数[9]
总结
散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)由于具有太赫兹到可见光的超宽带光学纳米成像技术和高分辨成像能力,揭示了许多传统光学和电子成像无法测量的新奇物理现象。目前,二维极化激元学仍然处在蓬勃发展的阶段,具有各向异性极化激元的二维材料为纳米尺寸下的光学调控提供了新的思路,而s-SNOM仍然是表征各向异性激元的关键手段。此外,s-SNOM还可以与超快光学、纳米XRD、拉曼和STM相结合,形成用于材料表征的新一代多模态成像工具,推动凝聚态物理、化学、生物学和各种工程领域的发展。可以预见的是,在未来对纳米世界的不断探索中,s-SNOM必将成为不可或缺的工具。、
参考文献
- Zhou Yi-Xi, Li Zhi-Peng, Chen Jia-Ning. Research advances in polaritonics based on near-field optical imaging technique[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(8): 080701-1-080701-21.
- Low, T., Chaves, A., Caldwell, J. et al. Polaritons in layered two-dimensional materials. Nature Mater 16, 182–194 (2017).
- Chen X, Hu D, Mescall R, et al. Modern scattering‐type scanning near‐field optical microscopy for advanced material research[J]. Advanced Materials, 2019, 31(24): 1804774.
- Fei Z, Rodin A S, Andreev G O, et al. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging[J]. Nature, 2012, 487(7405): 82-85.
- Chen J, Badioli M, Alonso-González P, et al. Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons[J]. Nature, 2012, 487(7405): 77-81.
- Dai S, Fei Z, Ma Q, et al. Tunable phonon polaritons in atomically thin van der Waals crystals of boron nitride[J]. Science, 2014, 343(6175): 1125-1129.
- Ma W, Alonso-González P, Li S, et al. In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal[J]. Nature, 2018, 562(7728): 557-562.
- Hu F, Luan Y, Scott M E, et al. Imaging exciton–polariton transport in MoSe2 waveguides[J]. Nature Photonics, 2017, 11(6): 356-360.
- Hu D, Yang X, Li C, et al. Probing optical anisotropy of nanometer-thin van der waals microcrystals by near-field imaging[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 1471.