技術線上論壇 |6月17日《Nature、Science共賞|納米分辨的散射型近...

　　

[報告簡介]

　　近年來，納米光學、二維材料、量子光學、極化激元、鈣鈦礦材料等已成為當前國際前沿研究領域，而納米尺度下的各種新穎光學現象和特性的研究（包括光的傳播、調製、轉換、探測、局域光場的激發與傳播、物質組分、電學等）也成為了眾多交叉學科的研究重點。然而，光衍射效應將傳統光學探測的最小空間尺度約束在亞微米量級，無法實現納米尺度下光學結構的表徵。因此，新發展起來的、納米分辨的散射型近場光學顯微技術，因突破衍射極限，將光學探測的空間解析度拓展到了10 nm尺度而備受關注。

　　本報告將介紹10nm分辨的散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）的技術原理和技術發展，並結合數十篇發表在頂級期刊Nature、Science、Chemical Reviews、Advance Materials等上的最近科研成果，深入闡述這種技術在等離激元、二維材料、範德瓦爾斯材料、半導體等前沿研究領域的最近進展。

　　

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[主講人介紹]

李勇君  博士

QD中國資深應用科學家。主要從事基於原子力顯微鏡（AFM）的材料科學、薄膜材料納米力學研究、藥物與細胞相互作用、分子識別成像等研究，具有長達13年的AFM相關技術及應用經驗。

　　

[報告時間]

　　開始   2020年06月17日  14:00

　　結束   2020年06月17日  15:00

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[產品信息]

　　超高分辨散射式近場光學顯微鏡：https://www.caigou.com.cn/product/20160315768.shtml

　　

[精選案例]

　　2018年W. Ma等在Nature報導了範德瓦爾斯材料α-MoO₃中的面內雙曲聲子極化激元的重要發現。2020年6月，G.W. Hu等在此基礎上通過理論預測並在實驗上證實了雙層旋轉範德瓦爾斯材料α-MoO₃體系，可以實現由轉角控制的聲子極化激元從雙曲到橢圓能帶間的拓撲變換。在這個變換角附近，光學能帶變成平帶，從而實現激元的直線無衍射傳播。類比於雙層旋轉石墨烯中的電子在費米面的平帶，作者因此將這一轉角命名為光學魔角。

　　研究中作者採用散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）對雙層α-MoO₃旋轉體系進行掃描測試。實驗結果顯示，在接近魔角時（如圖所示），光學能帶變平，聲子極化激元沿直線無衍射傳播。此外，通過測試不同轉角的雙層體系，作者成功觀測到在不同頻段大幅可調的低損耗拓撲轉換和光學魔角。這一重要發現奠定了「轉角光子學」的基礎，為光學能帶調製、納米光精確操控和超低損耗量子光學開闢了新的途徑，同時也衍生出「轉角極化激元」這一重要分支研究方向，為進一步發展「轉角聲學」或「轉角微波系統」提供了重要的線索和啟發。

　　（引自：中國光學-公眾號，2020年6月11日《Nature：光學魔角！二維材料轉角遇見光》）

　　參考文獻：

　　G.W. Hu et al. Nature, 2020, 582, 209-213

　　光子晶體又稱光子禁帶材料。從結構上看，光子晶體是一類在光學尺度上具有周期性介電結構的人工設計和製造的晶體，其物理思想可類比半導體晶體。通過設計，這類晶體中光場的分布和傳播可以被調控，從而達到控制光子運動的目的，並使得某一頻率範圍的光子不能在其中傳播，形成光子帶隙。

　　光子晶體中介質折射率的周期性結構不僅能在光子色散能帶中誘發形成完整的光子帶隙，而且在特定條件下還可以產生一維手性邊界態或具有Dirac（或Weyl）準粒子行為的奇異光子色散能帶。原則上，光子晶體的概念也適用於控制「納米光」的傳播。該「納米光」指的是限域在導電介質表面的光子和電子的一種耦合電磁振蕩行為，即表面等離子體激元（SPPs）。該SPP的波長，λ_p，相比入射光λ₀來說最多可減少三個數量級。如果要想構築納米光子晶體，需要在λp尺度上實現周期性介電結構，傳統方法中採用top-down技術來構建納米光子晶體，該方法在加工和製造方面具有較大的限制和挑戰。

　　2018年12月，美國哥倫比亞大學D.N. Basov教授在Science上發表了題為Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices的全文文章。研究者利用存在於轉角雙層石墨烯結構（twisted bilayer grapheme, TBG）中的莫爾（moiré）超晶格結構，成功構築了納米光子晶體，並利用散射型近場光學顯微鏡s-SNOM研究了其近場光導和SPP特性，證明了其作為納米光子晶體對SPP傳播的調控。

　　參考文獻：

　　S. S. Sunku et al. Science , 2018，362, 1153-1156

　　範德瓦爾斯材料擁有一整套不同的極化激元種類，在所有已知材料中的具有最高的自由度。德國neaspec公司提供的先進近場成像方法（s-SNOM）允許極化波在範德瓦爾斯層或多層異質結構中傳播時被激發和可視化，從而被廣泛應用到範德瓦爾斯材料極化激元的研究中，為研究人員對範德瓦爾斯材料體系中極化激元的激發、傳播、調控等研究提供了有力的工具。此外，在由不同的範德瓦爾斯層構成的異質結構中，不同種類的極化激元相互作用，從而可以在原子尺度上實現極化激元的完美控制。納米光譜（nano-FTIR）和s-SNOM成功被研究人員用於激元的調控等研究中，通過實驗證實，研究人員已經成功開啟了操控極化激元相關納米光學現象的多種途徑。

範德瓦爾斯材料中極化激元的先進近場光學可視化成像研究

　　參考文獻：

　　Basov, D. N et. Al., Science, 2016, 354, aag1992

　　亞波長下光的調控與操縱對縮小光電器件的體積、能耗、集成度以及響應靈敏度有著重要意義。其中，外場驅動下由電子集體振蕩形成的表面等離激元能將光局域在納米尺度空間中，是實現亞波長光學傳播與調控的有效途徑之一。然而，表面等離激元技術應用的最關鍵目標是同時實現：①高的空間局域性，②低的傳播損耗，③具有可調控性。但是，由於金屬表面等離激元空間局域性較小，在長波段損耗較大且無法電學調控限制了其實用化。

　　由中科院物理所和北京大學組成的研究團隊報導了砷化銦（InAs）納米線作為一種等離激元材料可同時滿足以上三個要求。作者利用散射型近場光學顯微鏡s-SNOM，在納米尺度對砷化銦納米線表面等離激元進行近場成像並獲得其色散關係。通過改變納米線的直徑以及周圍介電環境，實現了對表面等離激元性質的調控，包括其波長、色散、局域因子以及傳波損耗等。

InAs納米線中表面等離激元的紅外近場成像研究

　　參考文獻：

　　Y.X．Zhou et al.，Adv. Mater.，2018, 30，1802551 

　　

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