Science Advances：范德華納米結構中的超受限中紅外共振聲子極化子

cc 5年前 (2018-06-30) 5093瀏覽

【前言】

由于二維(2D)和范德華材料這些革命性材料的新物理性質的發現，納米光子學而成為日益重要的領域。尤其是二維材料中的極化子，特別是石墨烯中的等離子體極化子，作為強光-物質相互作用的平臺，以及傳感、光調制和可調天線等應用，已經引起了人們的廣泛關注。近來，六邊形氮化硼(h - BN)中的聲子極化子被提出來實現中紅外頻率下的強約束波導傳播。表面極化子在h - BN薄片中的傳播和駐波在h - BN帶、圓錐和納米棒中的存在都得到了實驗證實。

【成果簡介】

近日，來自美國哈佛大學的Michele Tamagnone教授和Antonio Ambrosio教授在Science Advances發表文章，題為：ltra-confined mid-infrared resonant phonon polaritons in van der Waals nanostructures。作者發現強的亞波長六方氮化硼平面納米結構可以表現出超受限共振和局部場增強的特性。作者通過光誘導力顯微鏡、散射型掃描近場光學顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜研究了這些納米尺度結構中的強光-物質相互作用，與數值模擬有很好的一致性。作者設計光學納米偶極天線，并直接成像亮或暗模式共振激發時的場。作者認為，六方氮化硼中的聲子極化子在可見光范圍內可以起到類似貴金屬中等離子體激元的作用，為新型高效、高小型化的納米光子器件鋪平了道路。

【圖文導讀】

圖1. RS2波段h - BN納米盤的共振模式

(A) h - BN的面內和面外相對介電常數；

(B) RS2波段50 nm h-BN/285nm SiO2/Si的基本傳播模式；

(C)模式有效指數作為頻率函數的數值計算;

(D) h - BN被圖案化以產生尺寸比自由空間波長小10至50倍的粒子;

(E) RS2帶中h - BN盤的第一模式的電荷密度;

圖2. 用s - SNOM成像共振模式

(A) s - SNOM設置的簡化示意圖;

(B)測量的振幅是這里列出的幾種貢獻的疊加，每種貢獻都與尖端-樣品系統中光子的可能路徑相關聯;

(C)三種貢獻分開的程序;

(D)分離直徑D = 730 nm的盤的基礎模式(1425 cm-1)的貢獻的例子;

(E)與(D)相同，用于二次諧波;

(F)使用二次諧波的高階模式(n = 2，s = 1，1527 cm-1);

圖3. 納米盤的PiFM成像和消光截面

(A)前四個共振模式(直徑為730 nm的圓盤)的高光譜PiFM成像與預期的分析模式分布圖比較;

(B)分析和數值計算(使用Lumerical FDTD )并使用PiFM測量的幾種盤模式的共振頻率的比較;

(C)從同一個高光譜測量中，可以在圓盤的各個點上獲得光譜，從而確定圓盤中的模的共振頻率比自由空間波長(約7 mm )小幾十倍;

(D)高電阻率硅(盤直徑D = 480 nm)上h-BN納米盤陣列的透射紅外測量；

圖4. 具有h - BN的光學極化偶極子天線

(A)器件的幾何形狀( W = 440nm，L = 850nm，G?50nm，t = 50nm;

(B)對于變化的天線間隙，入射平面波的縱向場增強的數值計算;

(C)單橢圓天線臂前七個諧振模式的數值模擬;

(D)第一模式的PiFM成像，其顯示出與理論計算的良好一致性;

(E) s - SNOM測量(1400 cm-1)，貢獻分離如圖3所示，入射光平行于偶極天線;

【總結】

研究人員認為h-BN納米結構中聲子極化子增強紅外光與物質相互作用的獨特能力，將為新型高效、高度小型化的納米光子器件鋪平道路，并允許在這些波長觀察新現象。這些聲子極化子無疑是可見光范圍內貴金屬等離子體激元的中紅外對應物，對未來中紅外光學器件具有重要意義。

文獻鏈接：Ultra-confined mid-infrared resonant phonon polaritons in van der Waals nanostructures，(Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aat7189)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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