ACS Photonics：基于s-SNOM技术的α-MoO₃声子极化激元表征

二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这类材料展现出许多奇特的如带隙可调等性质，在场效应管、光电器件、热电器件等领域得到了广泛地应用。不同种类的二维材料由于其晶体结构的特殊性质导致了不同的电学或光学特性的各向异性，从而成为了前沿材料研究的热点。目前，利用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）研究二维层状晶体中的表面声子极化激元（Phonon-polaritons，PhPs）的性质，已成为二维材料研究工作中的重要方向，而其中二维材料所处的介电环境和几何限制对PhPs传播性质的影响，仍有待于深入研究。

最近，新南威尔士大学的研究人员在《ACS Photonics》期刊上发表了一项基于s-SNOM技术的针对正交晶相三氧化钼（α-MoO₃）声子极化激元的表征研究。该研究使用Bruker散射型扫描近场光学显微镜（nanoIR3-s），通过将α-MoO₃晶体薄片放置在带有预制亚微米沟槽的SiO₂/Si衬底上（如图1所示），作者们研究了介电环境和几何限制对PhPs在α-MoO₃内传播的影响，并进一步证明了PhPs可以沿曲线轨迹引导，且首次实现在空间受限的α-MoO₃独立式悬空通道内将PhPs引导到所需的角度。

如图2所示，在入射光波数分别为920和990 cm⁻¹的情况下，研究人员分别采集了四个样品的s-SNOM近场光学振幅图像。在s-SNOM成像中，探针发射的PhPs与边界反射的PhPs相互干涉形成驻波。这四个样品中α-MoO₃的[100]晶向与沟槽的夹角θ分别为0°、9°、27°和38°，四种样品的厚度t分别为238 nm、273 nm、435 nm和341 nm。图中白色虚线表示α-MoO₃下方的沟槽，白色箭头表示α-MoO₃的[100]晶向。在中红外波数范围内，α-MoO₃沿晶体轴在[100]（x轴）、[001]（y轴）、[010]（z轴）方向上分别存在三对纵向光学（longitudinal optical）和横向光学（transverse optical）声子频率，因此引入了三个Reststrahlen Band，简称RB，其中RB1（545-851 cm⁻¹）、RB2（820-972 cm⁻¹）、RB3（958-1004 cm⁻¹）。通过观察图2中的近场光学振幅图像，可以得到如下几条结论。

首先，随着θ的增加，PhPs在RB2和RB3中的传播表现有所不同。如图2中的a、c、e、g所示，在RB2中，当θ较小时（0°、9°），可以观察到PhPs波在悬空区域（freestanding region，下方是沟槽）的传播比较明显，随着θ的增大（27°、38°），PhPs波在悬空区域的传播强度变弱。而在支撑区域（supported region，下方是衬底）的沟槽和沿[100]晶向传播的PhPs波之间出现了一个PhPs传播强度比较强的过渡区域（如图2中的e、g所示）。在过渡区域中，可以观察到PhPs波是沿[100]晶向传播的，这是因为在RB2中需要遵循双曲色散关系（hyperbolic dispersion）。而在RB3中则需要遵循椭圆色散关系（elliptic dispersion），当θ增加时，可以观察到更为明显的驻波条纹变化（如图2中的b、d、f、h所示）。在四个样品的悬空区域中，沿沟槽方向均可以观察到明亮的PhPs波，这是因为在RB3中PhPs可以沿着xy平面内的所有方向传播，而在支撑区域中，除了平行于α-MoO₃边缘的PhPs驻波条纹，还存在平行于沟槽的PhPs驻波条纹，这是因为PhPs被沟槽的边缘引入到了α-MoO₃中。

第二，沿支撑区域和悬空区域在α-MoO₃内传播的PhPs波具有不同的波长和波向量。在RB2中，与支撑区域的α-MoO₃相比，悬空区域的PhPs波条纹沿α-MoO₃边缘向内弯曲（如图2中的a、c所示），表明其具有较大的波长和较小的波矢量。值得注意的是：在RB3中，观察到了相反的趋势，悬空区域的PhPs波条纹沿α-MoO₃边缘向外弯曲（如图2中的b、d所示）。这表明介电环境的变化相较于悬空区域的宽度和形状的变化对PhPs波的传播行为起到更为主要的影响。

第三，从图2中可以观察到的另一个显著特征是：当入射光波数为990 cm^-1时，不管θ如何变化，在四个样品的悬空区域中PhPs传播的强度都非常强。这是由于在RB3中，PhPs被限制在xy平面内，它们与介电环境的相互作用比在RB2中的作用要小，因此预制的具有较大纵横比的纳米沟槽在[100]方向上的几何限制可以引入高Q因子，其中Q = q₁/q₂，q₁代表PhPs的波矢量，q₂代表PhPs的波阻尼。实验中，可以通过对近场光学振幅图像中的PhPs波进行拟合从而进一步计算得到Q因子。较大的Q因子和较小的阻尼意味着PhPs波可以长距离传播，这表明处于空间受限的独立式通道衬底上的α-MoO₃更有利于对PhPs波的长距离引导。

此外，为了证实PhPs可以被沿着曲线轨迹引导，研究者使用等离子体聚焦离子束（PFIB）在SiO₂/Si衬底上制作了圆形沟槽，从而创建了一个圆形的空间受限的独立式通道，随后将α-MoO₃晶体薄片转移到预制的圆形沟槽上，并使其覆盖一半的圆形沟槽，如图3的光学显微镜图像所示。

如图4所示，空间受限的圆形α-MoO₃独立式悬空通道通过连续的半圆形曲线通道提供了更好的能量约束。如图4中的a、b、c、d所示，在RB2中，可以观察到PhPs波被限制在悬空区域内部，同时保持在[100]方向进行传播。如图4中的e、f、g、h所示，在RB3中，可以观察到PhPs波的三个分量，第一分量为从样品边缘沿悬空通道传播的PhPs波，第二分量为从样品边缘沿[100]方向传播的PhPs波，第三分量为从圆形边界反射回的PhPs波。通过比较第一分量和第二分量，可以观察到，由于几何限制的约束，在悬空通道内传播的PhPs波显得更加明亮，这也代表其传播强度更强。此外，如图4中g、h所示，PhPs波的第二分量和第三分量发生交叠从而形成干涉图形，这也是因为在RB3中PhPs可以沿着xy平面内的所有方向传播。

综上所述，s-SNOM技术为α-MoO₃的PhPs表征研究提供了更加丰富的技术途径，为在α-MoO₃的任意方向上引导高Q的PhPs奠定了基础，为创建基于高Q的PhPs定向波导技术的纳米光子和极化声子器件提供了新的途径，也为中红外波导和传感器的发展提供了新的思路。

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原文链接https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.1c01726

nanoIR3/nanoIR3-s/nanoIR3-s Broadband介绍：

https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/nanoscale-infrared-spectrometers.html