國家納米中心子刊：直接觀測六方氮化硼中雙曲聲子極化子

2020-08-26 研之成理

▲第一作者：Ning Li, Xiangdong Guo；通訊作者：Xiaoxia Yang, Qing Dai, Peng Gao

第一單位：國家納米中心

DOI：10.1038/s41563-020-0763-z


背景介紹

在二維範德華材料（如六方氮化硼（h-BN））中的雙曲聲子極化子（hyperbolic phonon polaritons, HPhPs）可被用來限制和操縱深亞波長納米級的光。使其在諸如亞衍射成像，表面增強紅外光譜，納米雷射，集成光路等領域有重要的應用。在單層六方氮化硼（h-BN）中的HPhPs被認為具有超高的限制效應。同時單層h-BN內的餘輝帶（Reststrahlen band, RS）會在Γ點消失，這與多層h-BN中的餘輝帶的性質截然不同。然而，由於光-極化子波矢間較大的錯配度和襯底的影響，目前對於單層h-BN中的原始HPhPs的定量測量仍很難實現。同時相應的理論模擬計算在計算單層h-BN的光學性質時也常出現問題。因此直接在懸浮的h-BN中測量HPhPs，並揭示其內秉性質非常重要。


本文亮點

在該工作中，作者主要利用掃描透射電子顯微鏡（STEM）中的單色電子能量損失譜（EELS，能量解析度約為7.5 meV）來測量懸浮的單層h-BN和10nm厚的h-BN中的HPhPs。其中10nm厚的h-BN薄片幾乎覆蓋整個上RS波段。極化子的色散可直接從EELS譜中得到，從而可確定h-BN片中的表面HPhP模。作者還發現，單層h-BN中的聲子極化子表現出較高的限制性（自由空間中光波長是其限制波長的487倍以上）和超低的群速度（低至約10-5c）。並且該工作在實驗上證實了當單層h-BN中的RS消失時，存在高質量的HPhPs。


圖文解析


● 圖一 在寬動量範圍內測量h-BN的振動光譜


（a） 掃描透射電子顯微鏡中的電子能量損失光譜的示意圖。從上到下：電子束（灰色圓錐體）聚焦在h-BN樣品（橙色薄片）上，獲得的h-BN衍射平面由黃色，淺綠色和藍色六邊形給出，分別對應於一階到三階BZ。紅色箭頭表示h-BN倒數空間中的Γ–M–Γ和Γ–K–M–K–Γ方向；光譜儀簡化為彎管，並且EELS光譜儀顯示在EELS檢測器上。

（b） h-BN薄片的原子分辨的高角度環形暗場（HAADF）圖像，展示了h-BN的高質量水平和在60 kV（高於1.07Å）下的高空間解析度。比例尺：0.5 nm。

（c） 動量空間中從Γ到M的h-BN薄片的聲子色散曲線，色標顯示的EELS強度為任意單位。灰色曲線為通過密度泛函理論計算得到的聲子色散曲線。


● 圖二 10nm厚的h-BN薄片的EELS。


（a）在h-BN薄片的內部（Sample，品紅色虛線）和外部（Aloof，青色虛線）兩個位置獲取的EELS光譜。插圖為10 nm厚的懸浮h-BN納米片的示意圖。電子束（黑色箭頭）垂直入射到h-BN平面上，並激發沿樣品傳播的聲子極化子。

（b）和（c）分別為在h-BN薄片上不同位置獲取EELS數據，其中（b）為實驗數據，（c）為模擬數據。品紅色和青色分別用於區分樣品內部和外部獲得的光譜。紫色，紅色和棕色虛線分別顯示SM0-S（低q），SM0-S（高q）和LO模式。左峰和中心峰之間的差異在a的插圖中示意性地顯示。

（d）由圖（b）計算出的h-BN的色散關係，色標顯示的EELS強度為任意單位。綠線是有限元法（FEM）模擬。分散型近場光學方法（s-SNOM）的典型波矢量檢測範圍由紫色虛線矩形表示。三個白色虛線表示h-BN的TO，LO和SO聲子能量。


● 圖3 單層h-BN的EELS譜


（a） 沿垂直於樣品邊緣的線獲取的EELS光譜。 左上插圖為半無限單層h-BN中的波導模式的示意圖。 黑色箭頭表示電子束。 波導模式以半圓形波陣面從電子束的位置擴散開來。 M0和SM0模由紅色和紫色箭頭表示。 右上方的插圖為所測量的單層h-BN樣品的原子級分辨的HAADF圖像，其中亮點為N和暗點B，並在圖中標出。 比例尺：0.5 nm。

（b） 與（a）相對應的單層h-BN薄片的模擬EELS光譜。 品紅色和青色分別用於區分樣品內部和外部獲得的光譜。


● 圖四 單層h-BN中的超慢群速度


（a） 聲子極化子在具有不同厚度的h-BN薄片中的擴散。 帶有誤差線的點表示實驗數據，實線對應FEM模擬曲線。 單層h-BN的紅色方塊是從未卷積的模擬光譜中的M0模式中提取的。 帶有誤差線的紅色圓圈是從圖3a中的HPhPs提取的。 誤差線是EELS實驗數據的提取偏差。

（b） 計算的基模群速度（即，半無限單層和厚度為116 nm的h-BN薄膜的M0；具有天線結構的10nm厚度的h-BN的SM0-S ），是由等式νg=∂ω/∂q從（a）中的極化子色散獲得的。y軸上的誤差線與（a）中的誤差線相同。x軸方向的誤差線是通過使用誤差傳播規則從y軸方向計算所得。


原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0763-z

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