编者按：
《中国激光》于2023 第1期出版 “纳米光子材料”专题，从多角度、多方位探讨和呈现我国纳米光学材料领域的研究进展。
专题封面文章来源于中山大学邓少芝教授和陈焕君教授团队，文章从理论和实验方面研究了α-MoO3/石墨烯范德华异质叠层结构的极化激元杂化波导模式及特性，为研究二维晶体中不同类型极化激元之间的相互作用及其机制提供了重要的理论和实验参考。
封面解读
封面展示了散射式近场光学显微镜（s-SNOM）对α-MoO3/石墨烯异质结构中极化激元的激发过程。入射激光照射到镀有金属层的原子显微镜（AFM）探针时，AFM探针可看做一个纳米天线，使得AFM针尖与α-MoO3/石墨烯样品之间的纳米间隙里形成高度局域的电磁场，有效地补偿自由空间电磁波与α-MoO3/石墨烯样品中极化激元的波矢失配量，激发出沿着α-MoO3/石墨烯样品表面或在其体内传播的极化激元波。极化激元电磁场的强度与相位信息可通过AFM针尖的散射光信号进入远场探测器中，通过记录样品每一位置的散射光信号，并利用伪外差干涉法对散射光信号进行解调，将获得样品表面光场强度及相位的分布图像。
01
研究背景
极化激元是电磁波与物质极化电荷（如电子、声子、激子、磁子等）耦合产生的电磁模式，是一种半光半物质的准粒子。由于强耦合作用，电磁波的色散受到了深度调制，其能量被压缩到纳米尺度空间内。因此，极化激元在微纳光子与光电器件、量子信息器件、化学反应控制、生物传感等领域具有应用潜力。
近年来，以石墨烯为代表的范德华二维原子晶体种类多样、结构独特，蕴含丰富而新奇的物理化学性质，是一类在电子、信息、能源等领域具有广阔应用前景的新材料。特别地，一些范德华原子晶体，如石墨烯、氮化硼、氧化钼等，在中远红外至太赫兹波段具有丰富的极化激元模式，能够将长波电磁场有效局域至其表面纳米尺度范围，增强材料的电磁场响应。
不同类型极化激元之间的杂化能够进一步丰富极化激元物理特性，为纳米尺度下的电磁场调控带来更多维度，从而为发展太赫兹波与中远红外光谱段的高性能探测材料与器件提供新途径。
02
创新工作
中山大学光电材料与技术国家重点实验室微纳结构电子光子与器件研究团队的邓少芝教授和陈焕君教授研究组从理论和实验方面研究了α-MoO3/石墨烯范德华异质叠层结构的极化激元杂化波导模式及特性，研究结果为计算范德华二维晶体叠层结构的杂化极化激元模式提供了一个定量理论模型，为研究二维晶体中不同类型极化激元之间的相互作用及其机制提供了重要的理论和实验参考。
理论上，分析了α-MoO3/石墨烯异质叠层结构中声子极化激元−等离极化激元杂化激元波导模式行态和传播特性，定量计算了波导模式的局域电磁场空间分布、色散关系和三维色散轮廓，揭示了α-MoO3/石墨烯异质叠层结构所特有的电磁场传输机制。
α-MoO3在中红外波段有三个特征响应频带，图1分别展示了激发光频率为700 cm−1（Band 1），920 cm−1（Band 2）和990 cm−1（Band 3）时α-MoO3/石墨烯异质叠层结构中极化激元波导模式的面内等频线。具体地，在α-MoO3的面内双曲型响应频带Band 1和Band 2内，α-MoO3中声子极化激元和石墨烯中等离极化激元的杂化模式HP3主要发生在声子极化激元允许的传播角度范围（π–θc < θ < θc，Band 1和–θc < θ < θc，Band 2）；在α-MoO3的面外双曲型响应频带Band 3内，杂化模式HP3可以沿着面内任意方向形成。
实验上，采用干法转移技术制备了α-MoO3/石墨烯异质叠层结构，采用散射式近场光学显微镜（s-SNOM）对该异质叠层结构极化激元进行了实空间光学成像表征。
图2(a)和2(b)分别展示了激发频率在α-MoO3的面内双曲型响应频带中920 cm-1（Band 2）和面外双曲型响应频带中995 cm-1（Band 3）时，α-MoO3/石墨烯异质叠层结构中极化激元的纳米光学图像。
03
总结与展望
研究了范德华α-MoO3/石墨烯异质叠层结构中的声子极化激元-等离极化激元杂化激元波导模式及传播演化特性。通过建立叠层波导解析理论模型，对极化激元杂化模式的色散和电磁场三维空间局域分布进行了定量计算，获得了α-MoO3/石墨烯异质叠层结构中极化激元的传输演化规律。通过纳米光学成像技术对α-MoO3/石墨烯异质叠层结构中杂化激元波导模式的干涉场分布进行了实验表征，验证了理论结果。
研究结果为研究二维晶体中不同类型的极化激元之间的相互作用及其机制提供了理论手段和实验参考，并可推广至其它范德华异质叠层结构的杂化极化激元模式，为进一步探索基于极化激元范德华晶体的纳米光子学器件提供基础。
课题组介绍
中山大学微纳结构电子光子与器件研究团队由许宁生院士于1996年创立，目前学术带头人为邓少芝教授，队伍超过100人，成员包括中科院院士、国家自然科学基金杰出青年基金获得者、国家自然科学基金优秀青年基金获得者、国家重大人才计划入选者。团队研究方向从早期的场致电子发射与冷阴极真空微纳电子器件，发展到了围绕太赫兹波和中远红外、极深紫外和X射线光的产生、调控与探测的关键微纳功能材料、新器件设计与研制及新功能器件应用的研究方向，学术成果发表在Science、Science Advances、Advanced Materials、ACS Nano、Physics Review Letters、Nano Letters等重要学术刊物上，一批核心技术获中国和国际发明专利。成果“金刚石及其相关薄膜的场致电子发射特性和机制”获2001年度国家自然科学二等奖，“纳米冷阴极及其器件研制”获2007年度国家自然科学二等奖，碳纳米管发光管、平板X射线探测器等技术成果实现产业转让。
通信作者简介
邓少芝，中山大学教授、博导，光电材料与技术国家重点实验室主任。从事微纳结构电子光子研究，聚焦产生与探测的核心元器件创新，是国家杰出青年基金获得者、国家纳米重大科学研究计划项目首席科学家、国家重点研发计划项目负责人，发表Science等重要期刊文章和论文超过300篇，获发明专利超过60项，获国家自然科学二等奖2项，获中国青年科技奖。
陈焕君，中山大学教授、博导。长期致力于极化激元效应及其新型光电功能材料与器件的研究，关注低维结构激元效应及机制、激元结构构筑与电磁场调控、光电探测材料及器件，在SCI期刊已发表120篇文章。主持国家自然科学基金委员会重大研究计划“功能基元序构的高性能材料基础研究”重点支持项目、国家重点研发计划“纳米科技”专项“新型纳米结构亚毫米波辐射源和探测器及集成技术”项目子课题等国家及省部级科研项目。
科学编辑 | 孙凤升
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