范德華材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的近場納米成像研究

    近年來，隨著石墨烯及其優(yōu)異的光、電等性質(zhì)的不斷發(fā)現(xiàn)，二維層狀材料成為了目前材料領(lǐng)域的研究熱點，受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。其二維層狀材料的層內(nèi)以強的共價鍵或離子鍵結(jié)合而成，而層與層之間依靠弱的范德華力堆疊在一起形成一類新型材料。由于層間弱的相互作用力，在外力的作用下，層與層很容易相互剝離，從而可以形成二維層狀材料。進一步，二維層狀材料在晶格不匹配和方法不兼容的情況下，也非常容易和截然不同的原子層混合和匹配，從而衍生出許多范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

    范德華（Van der waals）材料即上述具有范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料，它由弱的范德華吸引力結(jié)合的單個原子平面組成。它們顯示出幾乎所有在固體中發(fā)現(xiàn)的光學現(xiàn)象: 包括金屬中典型的自由電子等離子體振蕩，半導(dǎo)體中的發(fā)光/激光和激子，以及絕緣體中典型的強烈聲子諧振。這些現(xiàn)象體現(xiàn)在被稱為極化激元-激發(fā)的有限光物質(zhì)混合模中。當光處于遠小于其波長的納米級尺度下時，能增強相應(yīng)的電場強度，導(dǎo)致光與物質(zhì)相互作用增強，從而表現(xiàn)出強的非線性、作用力增大和發(fā)射/吸收增強。由金屬中的電子作用形成的表面等離子激元，成了近年來研究中最為突出例子。然而，還有許多其他類型的激元，包括極性絕緣體中的聲子振動，半導(dǎo)體激子，超導(dǎo)體中的Cooper對以及（反）鐵磁體中的自旋諧振形成的激元。

                                                              范德華材料中各種激元種類

    范德華材料擁有一整套不同的激元種類，在所有已知材料中的具有最高的自由度。德國neaspec公司提供的先進近場成像方法（s-SNOM）允許極化波在范德華層或多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)中傳播時被激發(fā)和可視化，從而被廣泛應(yīng)用到范德華材料激元的研究中，為研究人員對范德華材料體系中激元的激發(fā)、傳播、調(diào)控等研究提供了有力的工具。另一方面，范德華材料系統(tǒng)中激元的優(yōu)點是它們具有的電可調(diào)性。此外，在由不同的范德華層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不同種類的激元相互作用，從而可以在原子尺度上實現(xiàn)激元的完美控制。德neaspec公司提供的納米光譜（nano-FTIR）和納米成像成功被研究人員用于激元的調(diào)控等研究中，通過實驗證實，研究人員已經(jīng)成功開啟了操控激元相關(guān)納米光學現(xiàn)象的多種途徑。

                                                 范德華材料中激元的先進近場光學可視化成像研究：

A、石墨烯中Dirac等離激元；B、 石墨烯納米共振器邊緣的等離激元；C、碳納米管中的一維等離激元；D、 石墨烯-六方氮化硼moiré 超晶格體系中的超晶格等離激元；E、六方氮化硼上石墨烯的雜化等離子-聲子激元；F、WSe2中的激子激元；G、 雙曲六方氮化硼中的聲子激元及波導(dǎo)傳播

    研究人員對不同的金屬、半導(dǎo)體和絕緣體等范德華材料中異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新奇性能進行探索，促進了對光探測器、光伏器件、LED等電子器件設(shè)計的革新，并賦予這些器件諸多意想不到的獨特功能。同時，德國neaspec公司也伴隨國內(nèi)外廣大研究人員的腳步，不斷升級改進其近場光學成像的功能，在其先進的近場光學成像（s-SNOM）和納米光譜研究(nano-FTIR)的基礎(chǔ)上，不斷拓展出例如TDS-THz納米成像、針尖增強拉曼（TERS）、 光誘導(dǎo)成像等新的技術(shù)，從而為廣大研究人員提供強有力的研究工具和技 術(shù)支持。

參考文獻：Basov, D. N et. al Polaritons in van der Waals materials, Science, 354, aag1992(2016). DOI: 10.1126/science.aag1992