Nature、Science共赏|纳米分辨的散射型近场光学显微技术最新研究进展与应用

[报告形式与时间安排]

主讲人： 李勇君 博士

时间：2020-6-17 14:00-15:00

备注：报告时间为40分钟，剩余时间用于答疑讨论

[报告概述]

近年来，纳米光学、二维材料、量子光学、极化激元、钙钛矿材料等已成为当前国际前沿研究领域，而纳米尺度下的各种新颖光学现象和特性的研究（包括光的传播、调制、转换、探测、局域光场的激发与传播、物质组分、电学等）也成为了众多交叉学科的研究重点。然而，光衍射效应将传统光学探测的最小空间尺度约束在亚微米量级，无法实现纳米尺度下光学结构的表征。因此，新发展起来的、纳米分辨的散射型近场光学显微技术，因突破衍射极限，将光学探测的空间分辨率拓展到了10 nm尺度而备受关注。

本报告将介绍10nm分辨的散射型近场光学显微镜（s-SNOM）的技术原理和技术发展，并结合数十篇发表在顶级期刊Nature、Science、Chemical Reviews、Advance Materials等上的最近科研成果，深入阐述这种技术在等离激元、二维材料、范德瓦尔斯材料、半导体等前沿研究领域的最近进展。

李勇君博士，QD中国资深应用科学家。主要从事基于原子力显微镜（AFM）的材料科学、薄膜材料纳米力学研究、药物与细胞相互作用、分子识别成像等研究，具有长达13年的AFM相关技术及应用经验。

[报名方法]

扫描二维码，按照提示注册报名

报名链接：[精选案例]

1. Nature：双层旋转的范德瓦尔斯材料中的拓扑极化激元和光学魔角

2018年W. Ma等在Nature报道了范德瓦尔斯材料α-MoO3 中的面内双曲声子极化激元的重要发现。2020年6月，G.W. Hu等在此基础上通过理论预测并在实验上证实了双层旋转范德瓦尔斯材料α-MoO3体系，可以实现由转角控制的声子极化激元从双曲到椭圆能带间的拓扑变换。在这个变换角附近，光学能带变成平带，从而实现激元的直线无衍射传播。类比于双层旋转石墨烯中的电子在费米面的平带，作者因此将这一转角命名为光学魔角。

研究中作者采用散射型近场光学显微镜（s-SNOM）对双层α-MoO3旋转体系进行扫描测试。实验结果显示，在接近魔角时（如图所示），光学能带变平，声子极化激元沿直线无衍射传播。此外，通过测试不同转角的双层体系，作者成功观测到在不同频段大幅可调的低损耗拓扑转换和光学魔角。这一重要发现奠定了“转角光子学”的基础，为光学能带调制、纳米光精确操控和超低损耗量子光学开辟了新的途径，同时也衍生出“转角极化激元”这一重要分支研究方向，为进一步发展“转角声学”或“转角微波系统”提供了重要的线索和启发。

（引自：中国光学-公众号，2020年6月11日《Nature：光学魔角！二维材料转角遇见光》

参考文献：

G.W. Hu et al. Nature, 2020, 582, 209-213

2. Science：石墨烯莫尔(moiré）超晶格纳米光子晶体近场光学研究

光子晶体又称光子禁带材料。从结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，其物理思想可类比半导体晶体。通过设计，这类晶体中光场的分布和传播可以被调控，从而达到控制光子运动的目的，并使得某一频率范围的光子不能在其中传播，形成光子带隙。

光子晶体中介质折射率的周期性结构不仅能在光子色散能带中诱发形成完整的光子带隙，而且在特定条件下还可以产生一维手性边界态或具有Dirac（或Weyl）准粒子行为的奇异光子色散能带。原则上，光子晶体的概念也适用于控制“纳米光”的传播。该“纳米光”指的是限域在导电介质表面的光子和电子的一种耦合电磁振荡行为，即表面等离子体激元（SPPs）。该SPP的波长，λp，相比入射光λ0来说最多可减少三个数量级。如果要想构筑纳米光子晶体，需要在λp尺度上实现周期性介电结构，传统方法中采用top-down技术来构建纳米光子晶体，该方法在加工和制造方面具有较大的限制和挑战。

2018年12月，美国哥伦比亚大学D.N. Basov教授在Science上发表了题为Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices的全文文章。研究者利用存在于转角双层石墨烯结构（twisted bilayer grapheme, TBG）中的莫尔（moiré）超晶格结构，成功构筑了纳米光子晶体，并利用散射型近场光学显微镜s-SNOM研究了其近场光导和SPP特性，证明了其作为纳米光子晶体对SPP传播的调控。

参考文献：

S. S. Sunku et al. Science , 2018，362, 1153-1156

3. Science：范德瓦尔斯异质结构材料中极化激元的近场光学研究综述

范德瓦尔斯材料拥有一整套不同的极化激元种类，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）允许极化波在范德瓦尔斯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瓦尔斯材料极化激元的研究中，为研究人员对范德瓦尔斯材料体系中极化激元的激发、传播、调控等研究提供了有力的工具。此外，在由不同的范德瓦尔斯层构成的异质结构中，不同种类的极化激元相互作用，从而可以在原子尺度上实现极化激元的完美控制。纳米光谱（nano-FTIR）和s-SNOM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极化激元相关纳米光学现象的多种途径。

范德瓦尔斯材料中极化激元的先进近场光学可视化成像研究

参考文献：

Basov, D. N et. Al., Science, 2016, 354, aag1992

4.Advanced Materials：可调谐、低损耗一维InAs纳米线的表面等离激元研究

亚波长下光的调控与操纵对缩小光电器件的体积、能耗、集成度以及响应灵敏度有着重要意义。其中，外场驱动下由电子集体振荡形成的表面等离激元能将光局域在纳米尺度空间中，是实现亚波长光学传播与调控的有效途径之一。然而，表面等离激元技术应用的最关键目标是同时实现：①高的空间局域性，②低的传播损耗，③具有可调控性。但是，由于金属表面等离激元空间局域性较小，在长波段损耗较大且无法电学调控限制了其实用化。

由中科院物理所和北京大学组成的研究团队报道了砷化铟（InAs）纳米线作为一种等离激元材料可同时满足以上三个要求。作者利用散射型近场光学显微镜s-SNOM，在纳米尺度对砷化铟纳米线表面等离激元进行近场成像并获得其色散关系。通过改变纳米线的直径以及周围介电环境，实现了对表面等离激元性质的调控，包括其波长、色散、局域因子以及传波损耗等。

InAs纳米线中表面等离激元的红外近场成像研究

参考文献：

Y.X．Zhou et al.，Adv. Mater.，2018, 30，1802551

Banner 区域

原标题：《Nature、Science共赏|纳米分辨的散射型近场光学显微技术最新研究进展与应用》

阅读原文