Science：納米范德瓦爾斯材料上的紅外雙曲變面研究

    2018年2月，西班牙Rainer Hillenbrand教授在《Science》上發(fā)表了題為：Infrared hyperbolic metasurface based on nanostructured van der Waals materials的全文文章，發(fā)現(xiàn)納米范德瓦爾斯材料上的紅外雙曲變面特性，在紅外可變平臺設(shè)備的開發(fā)中取得重要進(jìn)展。

    文章中Hillenbrand團(tuán)隊(duì)利用超高分辨散射式近場光學(xué)顯微鏡neaSNOM，對納米級氮化硼薄膜表面進(jìn)行了精細(xì)掃描。該類型薄膜表面一般具有光學(xué)超表面特性，同時(shí)可以支持深度亞波長尺度的聲子極化激元。研究者在在這樣的納米結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過neaSNOM優(yōu)于10nm空間分辨率的光譜和近場光學(xué)圖像觀測到了發(fā)散極化子束的不規(guī)則波前，如下圖所示。圖1 A為該項(xiàng)工作的原理示意，圖1 B為該結(jié)構(gòu)的形貌表征；圖1 C、D為近場強(qiáng)度信號在該結(jié)構(gòu)中的納米成像并分辨對應(yīng)HMS(實(shí)線)及hBN（虛線）結(jié)果。這些表征結(jié)果精確描述了hBN光柵功能面內(nèi)的HMS。

圖1：散射式近場光學(xué)顯微鏡（neaSNOM）下聲子極化激元在20納米的hBN-HMS的成像結(jié)果。C、D 即為近場強(qiáng)度信號在該結(jié)構(gòu)中的納米成像并分辨對應(yīng)HMS(實(shí)線)及hBN（虛線）結(jié)果。

    該工作在光學(xué)超表面光學(xué)性質(zhì)的研究，對于控制材料的等離子體極化激元有著突出的意義，其中利用到一種獨(dú)特的相位和振幅信號分離技術(shù)，這種技術(shù)是超高分辨散射式近場光學(xué)顯微鏡neaSNOM專利申請，如下圖，HMS-PHPs的波前成像結(jié)果顯示其發(fā)散極化子束的不規(guī)則波前，是雙曲極化子的重要特征。近場增強(qiáng)和限制可以有效操縱交換表面發(fā)射的熱輻射。該項(xiàng)研究成果揭示了各向異性材料中極化基元的不規(guī)則波前，與此同時(shí)，該類型納米結(jié)構(gòu)尺寸的范德華材料擁有優(yōu)異的雙曲線性質(zhì)，使得紅外可變平臺設(shè)備的開發(fā)在未來的研究中將進(jìn)一步成為可能。

圖2：散射式近場光學(xué)顯微鏡（neaSNOM）下HMS-PHPs的波前成像結(jié)果。C中近場成像結(jié)果獲取于w = 1430 cm⁻¹單色波長激發(fā)。 

 科普小知識

neaSNOM是德國neaspec公司推出的第三代散射式近場光學(xué)顯微鏡（簡稱s-SNOM），其采用了專利化的散射式核心設(shè)計(jì)技術(shù)，極大的提高了光學(xué)分辨率，并且不依賴于入射激光的波長，能夠在可見、紅外和太赫茲光譜范圍內(nèi)，提供優(yōu)于10nm空間分辨率的光譜和近場光學(xué)圖像。由于其高度的可靠性和可重復(fù)性，neaSNOM業(yè)已成為納米光學(xué)領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向的首選科研設(shè)備，在等離基元、納米FTIR和太赫茲等眾多研究方向得到了許多重要科研成果。

 超高分辨成像技術(shù)的諸多特點(diǎn)，你知道嗎？

♦  neaSNOM是目前世界上唯一成熟的s-SNOM成像產(chǎn)品

♦  專利保護(hù)的散射式近場光學(xué)測量技術(shù)——獨(dú)有的極高10 nm空間分辨率

♦  專利的高階解調(diào)背景壓縮技術(shù)——在獲得10nm空間分辨率的同時(shí)保持極高的信噪比

♦  專利保護(hù)的干涉式近場信號探測單元

♦  專利的贗外差干涉式探測技術(shù)——能夠獲得對近場信號強(qiáng)度和相位的同步成像

♦  專利保護(hù)的反射式光學(xué)系統(tǒng) ——用于寬波長范圍的光源：可見、紅外以至太赫茲

♦  高穩(wěn)定性的AFM系統(tǒng)，——同時(shí)優(yōu)化了納米尺度下光學(xué)測量 

♦  雙光束設(shè)計(jì)——極高的光學(xué)接入角：水平方向180°，垂直方向60° 

♦  操作和樣品準(zhǔn)備簡單 ——僅需要常規(guī)的AFM樣品準(zhǔn)備過程