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neaSNOM 应用案例4 范德华材料的近场纳米成像研究

范德华材料异质结构的近场纳米成像研究
    近年来,随着石墨烯及其优异的光、电等性质的不断发现,二维层状材料成为了目前材料领域的研究热点,受到了国内外研究者的广泛关注。其二维层状材料的层内以强的共价键或离子键结合而成,而层与层之间依靠弱的范德华力堆叠在一起形成一类新型材料。由于层间弱的相互作用力,在外力的作用下,层与层很容易相互剥离,从而可以形成二维层状材料。进一步,二维层状材料在晶格不匹配和方法不兼容的情况下,也非常容易和截然不同的原子层混合和匹配,从而衍生出许多范德华异质结构。
    范德华(Van der waals)材料即上述具有范德华异质结构的材料,它由弱的范德华吸引力结合的单个原子平面组成。它们显示出几乎所有在固体中发现的光学现象: 包括金属中典型的自由电子等离子体振荡,半导体中的发光/激光和激子,以及绝缘体中典型的强烈声子谐振。这些现象体现在被称为极化激元-激发的有限光物质混合模中。当光处于远小于其波长的纳米级尺度下时,能增强相应的电场强度,导致光与物质相互作用增强,从而表现出强的非线性、作用力增大和发射/吸收增强。由金属中的电子作用形成的表面等离子激元,成了近年来研究中最为突出例子。然而,还有许多其他类型的激元,包括极性绝缘体中的声子振动,半导体激子,超导体中的Cooper对以及(反)铁磁体中的自旋谐振形成的激元。
范德华材料中各种激元种类
    范德华材料拥有一整套不同的激元种类,在所有已知材料中的具有最高的自由度。德国neaspec公司提供的先进近场成像方法(s-SNOM)允许极化波在范德华层或多层异质结构中传播时被激发和可视化,从而被广泛应用到范德华材料激元的研究中,为研究人员对范德华材料体系中激元的激发、传播、调控等研究提供了有力的工具。另一方面,范德华材料系统中激元的优点是它们具有的电可调性。此外,在由不同的范德华层构成的异质结构中,不同种类的激元相互作用,从而可以在原子尺度上实现激元的完美控制。德neaspec公司提供的纳米光谱(nano-FTIR)和纳米成像成功被研究人员用于激元的调控等研究中,通过实验证实,研究人员已经成功开启了操控激元相关纳米光学现象的多种途径。
范德华材料中激元的先进近场光学可视化成像研究:
A、石墨烯中Dirac等离激元;B、 石墨烯纳米共振器边缘的等离激元;C、碳纳米管中的一维等离激元;D、 石墨烯-六方氮化硼moiré 超晶格体系中的超晶格等离激元;E、六方氮化硼上石墨烯的杂化等离子-声子激元;F、WSe2中的激子激元;G、 双曲六方氮化硼中的声子激元及波导传播
    研究人员对不同的金属、半导体和绝缘体等范德华材料中异质结构的新奇性能进行探索,促进了对光探测器、光伏器件、LED等电子器件设计的革新,并赋予这些器件诸多意想不到的独特功能。同时,德国neaspec公司也伴随国内外广大研究人员的脚步,不断升级改进其近场光学成像的功能,在其先进的近场光学成像(s-SNOM)和纳米光谱研究(nano-FTIR)的基础上,不断拓展出例如TDS-THz纳米成像、针尖增强拉曼(TERS)、 光诱导成像等新的技术,从而为广大研究人员提供强有力的研究工具和技术支持。
参考文献:Basov, D. N et. al Polaritons in van der Waals materials, Science, 354, aag1992(2016). DOI: 10.1126/science.aag1992
     
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