北京大學(xué)極端光學(xué)團(tuán)隊(duì)在研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2023-09-01 1112人看過(guò)
近日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“極端光學(xué)團(tuán)隊(duì)”胡小永教授、高宇南研究員和龔旗煌院士與北京大學(xué)長(zhǎng)三角光電科學(xué)研究院孫泉研究員在低損耗介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場(chǎng)模式的超高時(shí)空分辨研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目“飛秒-納米時(shí)空分辨光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”支持搭建的超高時(shí)空分辨光電子顯微鏡（PEEM）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，揭示了六方氮化硼（hBN）波導(dǎo)近場(chǎng)模式的超快時(shí)空演化規(guī)律、hBN微納結(jié)構(gòu)矢量渦旋場(chǎng)的靜態(tài)模式場(chǎng)分布及其光電子發(fā)射特性。該工作開(kāi)辟了新型低維寬禁帶半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)近場(chǎng)模式研究的新方向，對(duì)于片上微納光子器件研究具有重要意義。2023年8月10日，相關(guān)成果以“利用光電子顯微鏡揭示六方氮化硼低損耗介質(zhì)近場(chǎng)模式”（Revealing low-loss dielectric near-field modes of hexagonal boron nitride by photoemission electron microscopy）為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
低損耗介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)片上微納光學(xué)器件的重要基礎(chǔ)，如何實(shí)現(xiàn)介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場(chǎng)模式超高時(shí)空分辨探測(cè)和快速直接成像研究是人們面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。常規(guī)的近場(chǎng)模式探測(cè)手段包括掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)、陰極射線熒光(CL)、超快電子顯微鏡（UEM）和光電子顯微鏡(PEEM)等。其中，時(shí)間分辨PEEM（TR-PEEM）具有飛秒-納米時(shí)空分辨本領(lǐng)和快速直接成像（非掃描式）的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)光發(fā)射電子能量和動(dòng)量空間的探測(cè)，對(duì)材料的損傷比電子激發(fā)的CL和UEM要小很多，因此，TR-PEEM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于金屬材料微納結(jié)構(gòu)近場(chǎng)模式的研究，包括傳播型和局域型表面等離激元的研究（例如研究團(tuán)隊(duì)前期工作：
Nat. Commun. 9, 4858 (2018); RRL, 124, 163901 (2020); Nano Lett. 21, 9270–9278 (2021) ）。由于低損耗介質(zhì)材料的導(dǎo)電性較差，在PEEM測(cè)量過(guò)程中將導(dǎo)致嚴(yán)重的表面電荷積累從而破壞PEEM的成像質(zhì)量，這就極大限制了TR-PEEM在低損耗介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場(chǎng)模式研究中的應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)前期開(kāi)展了較高損耗的ITO微納結(jié)構(gòu)和窄帶半導(dǎo)體材料微納結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)模式的研究(Nano Lett. 20, 3747–3753 (2020), Adv. Mater. 33, 2100775 (2021))。在本次新工作中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步把材料體系擴(kuò)展到新型低損耗的寬帶隙半導(dǎo)體材料，利用機(jī)械剝離和干法轉(zhuǎn)移技術(shù)將厚度為80nm的hBN薄片轉(zhuǎn)移到鍍有10nm的ITO導(dǎo)電層的玻璃襯底上，ITO導(dǎo)電層能避免PEEM測(cè)量過(guò)程中的樣品表面電荷積累，有利于提高PEEM成像質(zhì)量。利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)在hBN薄片上制備微納結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)利用TR-PEEM獲得了波長(zhǎng)400nm超短激光脈沖作用下hBN波導(dǎo)模式與延遲的入射激光相干形成的近場(chǎng)模式的波包演化與傳輸過(guò)程（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)波包的群折射率達(dá)到2.2。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步根據(jù)hBN微納結(jié)構(gòu)最低階近場(chǎng)模式的超小近場(chǎng)局域、超強(qiáng)近場(chǎng)增強(qiáng)、超快時(shí)間響應(yīng)，提出了一種新型的平面型光電子源，該光電子源是目前具有最小的工作區(qū)域的平面型光電子源。由于hBN原子級(jí)平整表面和受光子能量限制的較小光電子發(fā)射窗口，該光電子源同時(shí)具有較小的發(fā)射角和較窄的能量展寬。另外，電子脈沖空間模式分布可通過(guò)外光路進(jìn)行方便的調(diào)控，該新型光電子源在超快電子顯微鏡和超快電子衍射等方面有潛在應(yīng)用。
此項(xiàng)研究將光電子顯微鏡在微納光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展到低損耗介質(zhì)近場(chǎng)模式研究，結(jié)合新型低維寬禁帶半導(dǎo)體材料，實(shí)現(xiàn)了低損耗介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場(chǎng)渦旋場(chǎng)的靜態(tài)模式超高空間分辨觀測(cè)、平板波導(dǎo)模式演化直接高時(shí)空分辨觀測(cè)、并實(shí)現(xiàn)了基于hBN體系的新型光電子源，開(kāi)辟了基于超高時(shí)空分辨PEEM的低損耗介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場(chǎng)模式研究的新方向，未來(lái)在拓?fù)浣鼒?chǎng)模式、超表面近場(chǎng)研究和片上光器件檢測(cè)等方面有應(yīng)用前景。
