Nature Materials ！纳米光谱与成像系统助力纳米腔研究，打破品质因子极限

发布日期：2024-11-29

文章名称：High-quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride

期刊名称：Nature Materials IF 37.2

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01785-w

【引言】

在过去的几十年中，将光限制在深亚波长体积内一直是纳米光子学研究中的核心问题。纳米腔的创新性设计使得光被限制在极小的亚波长体积内，即使是单个发射体也能与腔极化子发生强耦合。此外，纳米腔的耦合强度可以变得非常大，达到超强耦合和深度耦合的程度，这一现象对传统的光-物质相互作用的摄动理论提出了挑战。此外，具有强烈空间变化场的腔体有望获得超辐射量子相的产生。因此，创造具有深波长模态体积的腔体不仅是推动基础物理研究的关键，而且为量子化学、物质操控等一系列应用领域提供了新的可能。然而，将光压缩至纳米尺度所付出的代价是巨大的。高吸收损失几乎是所有现有纳米腔设计都无法回避的问题，尤其是基于金属或半金属材料的腔体。

为了解决品质因子在纳米腔体中较低的问题，西班牙巴塞罗那科学技术研究所的相关课题组提出了一种新的光学多模态限制机制。通过制造同位素纯六方氮化硼的纳米腔体，并利用Neaspec公司的neaSCOPE纳米光谱与成像系统对材料进行了不同频率的纳米级精度表征，实现对纳米腔体和多模态纳米腔体MEC性能的评估，结果发现限域提升了几个数量级，珀塞尔因子超过108，品质因子在50到480的范围内，这些数值已接近六方氮化硼极化子的固有品质因子。相关研究以《High-quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride》为题，发表于SCI期刊《Nature Materials》上。

neaSCOPE是德国neaspec公司推出的全新一代散射式近场光学显微镜（简称s-SNOM）。设备基于散射式核心设计技术，不依赖于入射激光的波长，很大程度上提高了光学分辨率，能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内，提供优于10 nm空间分辨率的光谱和近场光学图像。neaSCOPE同时支持s-SNOM功能与纳米红外（nano-FTIR）、针尖增强拉曼（TERS）、超快光谱（Ultrafast）和太赫兹光谱（THz）进行联用，实现高分辨光谱和成像。由于其高度的可靠性和可重复性，neaSCOPE已成为纳米光学领域热点研究方向的优选科研设备，在等离子激元、二维材料声子极化、半导体载流子浓度分布、生物材料红外表征、电子激发及衰减过程等众多研究方向得到了许多重要科研成果。

neaSCOPE纳米光谱与成像系统

【图文导读】

图1. 文献中的纳米腔体和多模态纳米腔体（MECs）。a)各种纳米腔体的品质因子对比图。b)MECs的界面示意图。c) 在动量空间中的等频率线，黑色点标示了声子极化子（PhP）本征模态，包括了hBN中的A0、A1，以及在金属基板上的M1。d)当光线射到一个金属角或在角后约10纳米处的模拟结果。

图2.纳米空腔的近场测量结果。a）不同频率条件下，使用Neaspec测量一个方形MEC的SNOM信号结果。b）频率扫描的模拟和测量结果。c）测量的相位作为腔体宽度的结果。

图3.纳米腔体的限域效果。a)Q因子与腔体宽度之间的测量与模拟结果。b)600 nm x 600 nm面积腔体的相应光谱。c) 在一个100 nm宽的沟槽腔中，利用25 nm厚薄片进行的半解析损耗计算的结果。

图4.多模态反射。a) 使用扫描近场光学显微镜（SNOM）测量的600 nm×600 nm MEC的第四谐波信号。b) MEC腔体（上）和反向腔体（下）的模拟电场截面（上：f =1497cm^-1，下：f=1393cm^-1）。c)纳米光线反射示意图。

【结论】

综上所述，研究人员所制备的MEC在保持一定的品质因数的前提下，谐振器的体积实现了数量级的缩小。这一高品质MEC，对于后续制备纳米器件有着深远的影响。此外，器件的小型化意味着珀塞尔效应的巨大增强，有望成为光与物质相互作用的研究平台。