Science Advances：范德华纳米结构中的超受限中红外共振声子极化子

【前言】

由于二维(2D)和范德华材料这些革命性材料的新物理性质的发现，纳米光子学而成为日益重要的领域。尤其是二维材料中的极化子，特别是石墨烯中的等离子体极化子，作为强光-物质相互作用的平台，以及传感、光调制和可调天线等应用，已经引起了人们的广泛关注。近来，六边形氮化硼(h - BN)中的声子极化子被提出来实现中红外频率下的强约束波导传播。表面极化子在h - BN薄片中的传播和驻波在h - BN带、圆锥和纳米棒中的存在都得到了实验证实。

【成果简介】

近日，来自美国哈佛大学的Michele Tamagnone教授和Antonio Ambrosio教授在Science Advances发表文章，题为：ltra-confined mid-infrared resonant phonon polaritons in van der Waals nanostructures。作者发现强的亚波长六方氮化硼平面纳米结构可以表现出超受限共振和局部场增强的特性。作者通过光诱导力显微镜、散射型扫描近场光学显微镜和傅里叶变换红外光谱研究了这些纳米尺度结构中的强光-物质相互作用，与数值模拟有很好的一致性。作者设计光学纳米偶极天线，并直接成像亮或暗模式共振激发时的场。作者认为，六方氮化硼中的声子极化子在可见光范围内可以起到类似贵金属中等离子体激元的作用，为新型高效、高小型化的纳米光子器件铺平了道路。

【图文导读】

图1. RS2波段h - BN纳米盘的共振模式

(A) h - BN的面内和面外相对介电常数；

(B) RS2波段50 nm h-BN/285nm SiO₂/Si的基本传播模式；

(C)模式有效指数作为频率函数的数值计算;

(D) h - BN被图案化以产生尺寸比自由空间波长小10至50倍的粒子;

(E) RS2带中h - BN盘的第一模式的电荷密度;

图2. 用s - SNOM成像共振模式

(A) s - SNOM设置的简化示意图;

(B)测量的振幅是这里列出的几种贡献的叠加，每种贡献都与尖端-样品系统中光子的可能路径相关联;

(C)三种贡献分开的程序;

(D)分离直径D = 730 nm的盘的基础模式(1425 cm^-1)的贡献的例子;

(E)与(D)相同，用于二次谐波;

(F)使用二次谐波的高阶模式(n = 2，s = 1，1527 cm^-1);

图3. 纳米盘的PiFM成像和消光截面

(A)前四个共振模式(直径为730 nm的圆盘)的高光谱PiFM成像与预期的分析模式分布图比较;

(B)分析和数值计算(使用Lumerical FDTD )并使用PiFM测量的几种盘模式的共振频率的比较;

(C)从同一个高光谱测量中，可以在圆盘的各个点上获得光谱，从而确定圆盘中的模的共振频率比自由空间波长(约7 mm )小几十倍;

(D)高电阻率硅(盘直径D = 480 nm)上h-BN纳米盘阵列的透射红外测量；

图4. 具有h - BN的光学极化偶极子天线

(A)器件的几何形状( W = 440nm，L = 850nm，G≅50nm，t = 50nm;

(B)对于变化的天线间隙，入射平面波的纵向场增强的数值计算;

(C)单椭圆天线臂前七个谐振模式的数值模拟;

(D)第一模式的PiFM成像，其显示出与理论计算的良好一致性;

(E) s - SNOM测量(1400 cm^-1)，贡献分离如图3所示，入射光平行于偶极天线;

【总结】

研究人员认为h-BN纳米结构中声子极化子增强红外光与物质相互作用的独特能力，将为新型高效、高度小型化的纳米光子器件铺平道路，并允许在这些波长观察新现象。这些声子极化子无疑是可见光范围内贵金属等离子体激元的中红外对应物，对未来中红外光学器件具有重要意义。

文献链接：Ultra-confined mid-infrared resonant phonon polaritons in van der Waals nanostructures，(Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aat7189)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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