Advanced Optical Materials:二维材料极化波的探测

极化波(包括等离激元极化波、声子极化波和激子极化波等)是材料中的偶极子与光子耦合形成的电磁准粒子模式。二维材料中的极化波具有极高的光场束缚能力,在增强光与物质相互作用和现代光电信息器件等方面具有重要的应用前景。然而,要在二维材料中激发出极化波,先决条件是如何使自由空间中的光与二维材料极化波达到波矢匹配。围绕该问题,中国国家纳米科学中心戴庆研究员课题组针对二维材料极化波的激发探测问题进行了系统的研究,从远场光学、近场光学和电子激发这三个视角对二维材料中极化波的激发和探测进行了详细对比研究,相关结果发表在Advanced Optical Materials (DOI:10.1002/adom.201901416)上。

在远场光学部分,主要展现了基于周期性的光栅结构基于棱镜的衰减全反射和基于非线性光学等方法;在近场光学部分,主要展现了基于扫描探针的散射式扫描近场光学显微镜、光热诱导共振显微镜、峰值力红外显微镜和光诱导力显微镜等方法;在电子激发部分,主要展现了电子能量损失谱、阴极射线发光谱、光电发射显微镜和光诱导电子近场显微镜等方法。综合来看,以周期性光栅结构和棱镜衰减全反射方法为代表的远场光学方法在二维材料极化波的研究中最早开始使用,且应用普遍。该类方法简单,适用样品广范,对样品的品质要求不高,但其空间分辨率很有限(微米量级),信号也比较弱。以散射式扫描近场光学显微镜为代表的近场光学方法较为复杂,该类方法借助探针的针尖提高自由空间中光子的波矢动量,同时也打破了远场方法的衍射极限,实现了对极化波进行实空间的超高分辨(低至10纳米)成像,但是对设备要求比较高。电激发方法可以具有更高的空间分辨率(低至1纳米)和更宽的激发频率,然而对低频(中红外)极化波的探测是该类方法的一大挑战。