发了Nature又发Science！全新一代10 nm空间分辨超快光谱和成像系统助力突破前沿科学
发布日期：2024-03-21
导读：
近日，国务院印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》，方案大力支持设备以旧换新。Neaspec公司致力于前沿创新光谱技术发展，不断拓展前瞻性应用，研发推出的全新一代纳米空间分辨超快光谱和成像系统——neaSCOPE+fs，更是将纳米光学研究推向新高度。
近年来，扫描近场光学显微镜和超快激光器的结合，为超快科学注入了更为前沿的创新技术，已成为光物理、凝聚态物理、材料科学、微纳加工、化学动力学和生命科学等学科取得新突破的重要手段。德国attocube公司研发推出的全新一代纳米空间分辨超快光谱和成像系统——neaSCOPE+fs是一款在相同探测区域同步探测AFM三维物态形貌、超分辨光学成像和光谱扫描的综合纳米光学测量系统。设备极大的提高了光学分辨率，能够在可见、红外、太赫兹全波段范围内，实现优于10 nm空间分辨率的光学成像与光谱测量。在全新技术的加持下，neaSCOPE+fs同时支持针尖增强拉曼（TERS）、纳米光致发光（nano-PL）和fs超快光谱（ultrafast nanoscopy）等功能的联用。同时，AFM具备多关联通道，支持拓展c-AFM、KPFM、PFM、TFM和nano-photocurrent等先进力学和电学表征功能。适用于研究低维材料、量子材料、半导体材料、光伏和新能源材料、有机无机复合材料、高分子材料和生命科学等材料。
图1、 纳米空间分辨超快光谱和成像系统
neaSCOPE超快泵浦-探测纳米显微镜技术通过提供具有纳米尺度空间分辨率的时间分辨光谱，实现对纳米材料中动态过程的研究。该显微镜可检测探针散射光的振幅和相位，提供样品反射率和吸收率信息。特有的全反射光学元件有助于利用中红外、近红外、太赫兹、可见光甚至紫外光谱范围的光源。纳米级红外光谱学设计能够在10-20 nm的空间分辨率下进行超快光学成像和瞬态光谱采集。系统配备了丰富的泵浦源（390 nm、525 nm、780 nm、1050 nm、1560 nm）和探测源（650cm-1-2200cm-1）、（0.5-2THz）可供选择，能够对样品在纳米尺度进行百毫瓦和瓦级的泵浦激励。同时，该系统支持第三方光源集成，如OPO、DFG、自由电子激光、强场太赫兹源、太赫兹光频梳和同步辐射等先进光源。
图2、 基于双光路设计的泵浦-探测超快光路示意图
Nature Comm：纳米时-空分辨技术在扫描近场显微镜中的应用
图3、层状半导体中双曲瞬态等离激元的调控
黑磷的电子能带和光学介电常数的各向异性可导致显著的各向异性光电导率，这表明黑磷可能支持双曲等离激元，但其本征载流子的低掺杂水平阻碍了对其双曲等离激元的观测。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心陈佳宁研究员，与国家纳米科学中心戴庆研究员、刘前研究员、苏州实验室薛孟飞副研究员合作，通过超快飞秒激光脉冲诱导黑磷的介电张量出现相反的符号，激活并实现了黑磷中低损耗瞬态双曲等离激元的主动调控。通常情况下，光诱导电子跃迁会显著提高半导体的载流子密度，这为光学调控等离激元提供了一条实用途径。在这项工作中，通过光泵浦过程将大量热载流子注入黑磷，从而激发并直接观测到了稳态下不存在的双曲等离激元。由此产生的非平衡态使光学等频面从原始的椭球形拓扑转变为罕见的瞬态双曲面形。此外，对不同泵浦探测延迟下非平衡态的动力学分析表明，黑磷的双曲等离激元可以同时存在约5 ps的传播态模式与约40 ps的边界局域模式。相关研究成果以“Manipulating hyperbolic transient plasmons in a layered semiconductor”为题发表于Nature Communications, 15, 709 (2024)。
图4 、瞬态等离激元的动力学过程
Nature Photonics：光泵浦太赫兹探测近场显微镜的在范德华异质结层间超快探测的应用
量子力学中最基本的表现之一——隧道效应（Tunnelling），以及近期光波驱动的扫描隧道显微镜（STM）技术的出现，通过直接解析电导样品中的电子隧道效应，彻底改变了超快纳米科学。太赫兹近场显微镜（ultrafast THz-SNOM）能够用于在绝缘体中进行隧道过程的超快纳米视频观测，可作为对材料量子效应观测的互补技术。太赫兹“近场”隐失波能够反映探测电子-空穴对的局部极化率随时间演变，利用亚周期时间分辨率进行检测。
来自德国雷根斯堡大学的物理系和超快纳米显微镜雷根斯堡中心的R. Huber团队利用太赫兹频率的超快散射型扫描近场光学显微镜（ultrafast THz-SNOM），作为一种非侵入性、亚周期和无接触的探针，用于在绝缘基底上的WSe2/WS2异质结构中探测电荷转移动力学。基于层间隧道过程中电子-空穴对极化率的关键变化，结合密度泛函理论，并通过与超快电荷分离直接相关的太赫兹发射进行确认。观测到了太赫兹近场追踪的瞬态亚周期极化率，以绘制层间电子-空穴对种群的纳米尺度积累和衰减过程。观测了范德瓦尔斯异质双层中的飞秒层间传输，并揭示了在深度亚波长纳米尺度上局部层间激子形成和消失的显著变化。这种无接触的隧道诱导动力学纳米显微镜技术应该适用于导体和非导体样品，并揭示了超快传输过程如何塑造各种凝聚态物质系统中的功能性质。该工作以 “Subcycle contact-free nanoscopy of ultrafast interlayer transport in atomically thin heterostructures”为题发表在Nature Photonics。
图5：超快太赫兹发射纳米显微术来测量超快层间隧道效应的时间（左），利用超快的纳米近场显微术来研究隧道效率和电子-空穴对寿命的纳米尺度上的非均匀性
作者通过使用neaSCOPE+fs技术测量了WSe2/WS2异质层表面上局部THz响应的变化，从而提供了激子结合强度和寿命的精确图谱。延长寿命的区域表明存在有利的局部原子排列（例如应力、扭曲角度等）。此外，泵浦引起的激子之间的层间隧道传输会产生一个垂直于平面的电流，作为相干THz辐射的源。neaSCOPE+fs能够在亚周期时间尺度上测量这种辐射，直接获得飞秒级电荷转移动力学（包括隧道电流和时间常数）。这展示了对Mott相变、能量收集和光发射等过程进行超快原位研究，针对纳米尺度上原子薄异质结构的进展，旨在开发先进的功能性纳米材料。
国内部分高水平文章：
国内发表文章总计超过 150 篇；影响因子 >10 文章超过 70 篇
Nature Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals
Science Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons
Nature Nanotechnology Hyperbolic whispering-gallery phonon polaritons in boron nitride nanotubes
Nature Nanotechnology Real-space nanoimaging of hyperbolic shear polaritons in a monoclinic crystal
Nature Nanotechnology Doping-driven topological polaritons in grapheneα-MoO3 heterostructures
Nat. Mater. Broad spectral tuning of ultra-low-loss polaritons in a van der Waals crystal by intercalation 35.75
Nat. Phys. Moiré engineering of electronic phenomena in correlated oxides
Nano Lett. Revealing the Interaction of Charge Carrier–Phonon Coupling by Quantification of Electronic Properties at the SrTiO3/TiO2 Heterointerface
