极低温10 nm近场光学显微镜，助力多篇Nature子刊等文章发表！

发布日期：2024-09-29

低温散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）在纳米尺度上对材料特性的研究具有革命性的重要作用。为理解超导、金属-绝缘体转变、拓扑绝缘体、奇异磁性和其它强关联系统中分子和电子的纳米尺度行为的研究开辟了新道路。通过将 attocube 领先的光学低温恒温器技术与先进的纳米光学成像和光谱 neaSCOPE 平台相结合，共同开发的 cryo-neaSCOPE^+xs 克服了现有技术的不足，开创性的将nea-SNOM 的10 nm高空间分辨率和高灵敏度纳米光谱与10k的低温恒温测量环境相结合，为极端低温环境下的光学研究打开了新的大门。

attocube 研发的特有的振动隔离系统能以纳米级的精度保持所有 s-SNOM 元素之间的光束路径差，从而即使在可见光频率下也能进行高质量的光干涉测量。自主研发的双面抛物面镜提供了两个光学端口，用于宽光谱覆盖范围（Vis-IR-THz）内的光谱和成像测量。整套系统在极低温环境下，仍然能够出色的完成所有的纳米成像和纳米光谱功能，例如散射式近场光学成像（s-SNOM），纳米傅里叶红外光谱（nano-FTIR），纳米太赫兹时域光谱（nano THz-TDS）、泵浦探测近场超快（pump-probe ultrafast SNOM）和共聚焦拉曼（confocal Raman）以及针尖增强拉曼（TERS）等功能，在光源适配和谱学成像方面具有最大的灵活性，能够支持用户自主先进光源的耦合。超低振动低温恒温箱还使得在系统上进行的低温原子力显微镜（cryo-AFM）测量能够达到与 neaspec 室温系统相当的高质量。

低温近场光学显微镜在二阶超晶格材料中的应用

研究背景：

魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）是由两层石墨烯以约1.1°的特定角度扭曲而成的结构。这个微小的扭转角度导致了摩尔超晶格的形成，赋予材料特殊的电子性质。在强关联电子系统中，MATBG展现出强关联效应，导致电子相互作用显著，从而形成新奇的量子相，例如超导相和自旋液体。MATBG的能带结构中会出现平带效应，意味着电子的有效质量极小，有助于形成强关联现象。这种特性在研究拓扑物态和量子相变中尤为重要。MATBG具备较强的调控能力，通过改变扭转角度、施加电场或应变，可以精确调控MATBG的电子性质，拓展了其在电子器件和量子计算中的应用潜力。同时，MATBG在光电器件中展现出优异的光吸收和光电响应性能，可能应用于高效的光伏材料和光探测器。为探索新型量子材料提供了理想平台，吸引了大量研究者关注其基本物理机制及潜在应用。

近期，在魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中观察到的一系列强关联相现象激发了实验和理论上的一系列进展。基于邻近效应，在魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）与六方晶体氮化硼（hBN）的异质结能够显著影响电子的性质。例如hBN的存在可能导致MATBG中某些对称性的破缺，例如反演对称性，进而引发新的物理现象，如反常霍尔效应和材料的铁电性。hBN的绝缘特性可以帮助增强MATBG中电子间的相互作用，使得强关联效应更为显著，从而促进新型量子态的形成。这些邻近效应使得MATBG与hBN的组合成为研究新型量子材料和探索新物理现象的一个重要平台

在组合在特定的排列下能够形成的摩尔超晶格，二阶超晶格（SOSL）作为两种基础一阶摩尔超晶格之间的几何干涉的结果而出现，例如与hBN六方氮化硼对齐的魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）超晶格。为研究提供了新的调控手段，能够通过微调扭转角度或施加应变来探索不同的物理性质，对研究材料的电子性质和拓扑相有重要意义。近期对MATBG的研究已揭示了其在电子性质上的丰富特征，但在如何在实空间观察到二阶超晶格（SOSL）的结构及其对电子行为的影响方面仍面临挑战。具体而言，虽然在磁电输运实验中能够识别出SOSL的特征，但仍缺乏实空间的可视化，使得对这些结构的理解仍不完全。核心问题是在极低温环境下的超分辨光学表征方法长期以来受到制约。

近日，西班牙巴塞罗那科学技术学院Frank H. L. Koppen和Petr Stepanov 教授等采用了低温近场光学显微镜并结合了原位的纳米光电压测量技术，对与氮化硼（hBN）紧密对齐的MATBG的摩尔超晶格进行了深入研究，并在Nature Materials期刊上发表了题为 “Cryogenic nano-imaging of second-order moiré superlattices”的论文。

cryo-SNOM在T = 10 K下对MATBG/hBN二阶超晶格（SOSL）进行近场光学纳米光电压测量

研究中，作者对与六方氮化硼（hBN）对齐的魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）进行了低温近场光电（cryogenic near-field optoelectronic）实验。研究发现，通过电子输运测量和低温近场显微镜的纳米光电压测量揭示了与六方氮化硼紧密对齐的魔角扭曲双层石墨烯中的二阶超晶格，并通过长程周期性光电压调制进行了证实。结果表明，即使是小至0.01°的微小应变和扭转角变化，也会导致二阶超晶格结构的显著变化。因此，空间观察可以作为应变和扭转角的“放大镜”，有助于阐明扭曲双层石墨烯中空间对称性破缺的机制。

通过cryo-SNOM 观察到的纳米光电压特征及破缺反演对称性的门电压和温度响应。

通过这一技术，作者能够在远低于阿贝衍射极限的尺度上探测光电压响应，在极低温环境10K的温度下实现对MATBG样品的空间分辨率约为20 nm的光电压探测。作者观察到两组空间上相互旋转的条纹，这被解释为源于二阶超晶格（SOSL）的大规模局部势能变化的表现。通过理论模型补充实验发现，该模型将SOSL在真实空间中可视化为与扭曲双层石墨烯（TBG）和hBN-石墨烯超晶格相关的基础一阶超晶格势能之间的干涉。实验结果与模型化势能相结合，表明SOSL对局部应变和扭转角变化的敏感性很高。最后，考虑到SOSL所暗示的破缺反演对称性，作者讨论其对MATBG中平带物理的影响，并结合新型光电压（PV）纳米成像数据进行分析。

近场光学显微镜与超宽带同步辐射光源结合在表面声子极化激元研究的应用

文章导读：

表面声子极化激元（SPhPs）是束缚在不同光学介质界面上的混合光学模式。SPhPs是与光学上不同介质之间的界面相耦合的混合光子模式。光子与极性材料中的光学声子耦合产生的。它们存在于雷斯特拉伦波段，即光谱区域（通常在远红外和中红外范围内）。在横向光学TO声子和长轴光学LO声子之间的光谱区域（通常在远红外和中红外范围内），光介电常数的实部为负 1。通常情况下，SPhPs 在本体晶体中的约束较弱，波长接近自由空间中的波长。当晶体或膜的厚度减小到深亚波长尺度时当晶体或膜的厚度减小到深亚波长尺度时，每个界面上的 SPhP 模式杂化形成两个波段，其对称和不对称分布为电磁场的正交分量相对于膜中心的膜中心。反对称模式的能量较低，传播时的动量明显大于膜中心的动量。传播时的动量明显大于自由磁场中相同频率的电反对称模式的能量较低，传播动量明显大于自由空间中相同频率的电磁波。对称模式的能量被推高，并接近低频（此时介电常数为零）。当膜厚度足够小时，对称模式的能量会被推高，并接近LO 频率（此时介电常数为零）。在这种情况下，它被称为ε-近零（ENZ）模式。ENZ 模式的色散在动量上几乎是平的、 它延伸到光锥内部，成为辐射贝里曼模式。

近期，来自瑞士日内瓦大学和北卡罗来纳州立大学的Alexey Kuzmenko和Yin Liu教师等研究人员结合超宽带的同步辐射红外光源和散射式近场光学显微镜（SINS），该装置是基于美国ALS同步线站的先进光源，通过耦合进入Neaspec品牌的 s-SNOM 显微镜以及非对称迈克尔逊干涉仪作为探测的干涉模块搭建而成。通过该装置，在实验上首次证实了转移到热氧化硅基底（部分基底被金覆盖）上的 100nm 结晶 SrTiO₃ 膜中的非对称和对称 SPhP 模式，包括辐射贝里曼模式。在这一厚度（低于自由空间波长的百分之一）下，对称模式是真正的ENZ模式，样品内部的电磁场得到极大增强。此外，通过样品边缘附近的纳米宽带 SINS 成像，我们还发现了传播的非对称模式，其动量是块状 SrTiO₃ 中相同能量 SPhPs 的 10 倍。该研究成果以“Highly confined epsilon-near-zero and surface phonon polaritons in SrTiO₃ membranes”为题发表在Nature Communications期刊上。

s-SNOM和SINS 对SrTiO3 膜的制备和结构特征

最近的理论研究表明，过渡金属钙钛矿氧化物膜可以在红外范围内支持表面声子极化激元，能够具有较低的损耗和比本体晶体更强的亚波长约束。然而，迄今为止尚未实验观察到这些模式。在本研究中，作者结合了基于同步辐射光源的傅里叶变换红外（FTIR）光谱和近场同步辐射红外纳米光谱（SINS）成像，研究了转移到金属和介电基底上的100 nm厚的自由悬浮晶体SrTiO₃膜中的声子极化激元。我们观察到对称-异对称模式分裂，产生了ε-近零模式和贝里曼模式，以及高度受限（10 倍）的声子极化激元的传播，这两种情况都源于膜的深亚波长厚度。基于解析有限偶极子模型和数值有限差分方法的理论建模充分验证了实验结果。我们的研究揭示了氧化物膜作为红外光子学和极化激元特有前景的平台的潜力。

金和二氧化硅支撑的 SrTiO₃ 薄膜的 s-SNOM和SINS色散光谱表征

通过重点分析590 cm^-1 这一频率的约束和色散特性，观测到了SrTiO₃ 膜中表面声子极化激元的近场振幅和相位变化，表明了其空间动力学和增强传播的特性。值得指出的是，要获得 SrTiO₃ 薄膜的全光谱响应，测量范围低至 400 cm^-1 是至关重要。

低温近场光学显微镜在表面声子极化激元调控研究的应用

文章导读：

声子极化激元因其强光-物质耦合和亚波长能量约束而在红外应用中具有很大前景。然而，声子极化激元的极窄带的光谱即在横向光学TO声子 以上的 Reststrahlen 带中出现，此时材料的实部介电常数 ε(ω) 为负值。另一个瓶颈是难以对声子极化子激元（PhP）进行调控，因为这些特性受到内在晶格动态和器件几何形状的限制。尽管通过与电静态控制的石墨烯等离子体、原子插层和光注入的耦合已展示出一定程度的动态表面声子极化激元的 （SPhP） 调控，但这一纳米光子学方向仍处于起步阶段。调节声子极化激元困难的特性阻碍了该领域的进一步发展。

SrTiO₃作为一种原型钙钛矿氧化物，因其两条显著的远红外声子极化子带而受到关注，尽管迄今尚未报告关于SrTiO₃的声子极化激元的调控工作。在低温环境下调谐表面声子极化激元是一个新的思路，在低温（10K）条件下，表面声子极化激元会发生重大转变并能够传播到很远的距离，预示着在转播过程中的能量损失极小。该现象对长波长纳米光子学和非传统电子学等领域的应用有着至关重要的作用。

近期，来自瑞士日内瓦大学Alexey Kuzmenko教授和首都师范大学的周怡汐教授在期刊课Nature Communications上发表了题为“Thermal and electrostatic tuning of surface phonon-polaritons in LaAlO₃/SrTiO₃ heterostructures”的报道。该工作基于来自德国Neaspec品牌的低温近场光学显微镜cryo-neaSCOPE平台，通过nano-FTIR 和 s-SNOM在低温条件下（10K）系统讨论了利用变温（10K-300K）和静电门共同调控LaAlO₃/SrTiO₃(LAO/STO)异质结的表面声子极化激元的光谱和传播特性。观测结果不仅表明LaAlO₃/SrTiO₃异质结构具有良好的稳定性，还为在纳米尺度上光与物质的相互作用开辟了新的操作途径。相关研究预示着SrTiO₃ 和 LaAlO₃/SrTiO₃ 异质结构在传感器、成像和能源管理系统等领域的应用潜力。

在极低温环境下（10K），对SrTiO₃中表面声子极化激元的实空间nano-FTIR 和 s-SNOM纳米光谱和成像研究

总体而言，低温扫描近场光学显微镜（cryo-SNOM）实验结合模拟结果表明，SrTiO₃不仅是一个新兴的、在远红外范围内支持长传播声子极化激元的材料，还具有独特的系统特性，其中通过异质结构化可以轻松创建二维电子气（2DEG），实现表面声子极化子的主动调谐。这一理念最初是在石墨烯-氮化硼系统中实现的。虽然在块状样品中弱约束的声子极化子进展迅速，但超薄晶体层的快速制造将使我们能够研究并利用这一系列材料中的高度约束体波导声子极化子模式。

SrTiO₃中表面声子极化激元（SPhP）特性的温度依赖性

当前研究未涵盖的钛酸锶低能量 Reststrahlen 带来源于一种声子模式，该模式在低温下会显著软化，可能导致腔增强的铁电相变，从而实现电动力学控制物质的一个重要案例。来自该带的表面声子极化激元对温度的敏感性可能超过这里研究的声子极化子。在实验方面，我们认为本研究中开发的双边缘干涉法可以广泛用于解决 s-SNOM 实验中常见的照明几何不确定性。这种方法与使用圆盘发射器的方法是互补的，但不需要进行二维 s-SNOM 映射，因此在nano-FTIR 高光谱测量模式中更易实现。此外，随着近场针尖-样品相互作用理论模型的未来改进，我们预计低温近场光学显微技术将允许直接提取更多信息。

Neaspec品牌cryo-neaSCOPE低温近场光学显微镜发表和相关文章汇总：

1. Thermal and electrostatic tuning of surface phonon-polaritons in LaAlO₃/SrTiO₃ heterostructures. Zhou et al., Nature Communications 14, 7686 (2023)

2. Observation of interband collective excitations in twisted bilayer graphene. Ni et al., Nature 557, 530-533 (2018)

3. High sensitivity variable-temperature infrared nanoscopy of conducting oxide interfaces. Luo et al., Nature Communications 10, 2774 (2019)

4. Electronic transport in submicrometric channels at the LaAlO3/SrTiO3 interface. Boselli et al., Phys. Rev. B 103, 075431 (2021)