Science：纳米范德瓦尔斯材料上的红外双曲变面研究

    2018年2月，西班牙Rainer Hillenbrand教授在《Science》上发表了题为：Infrared hyperbolic metasurface based on nanostructured van der Waals materials的全文文章，发现纳米范德瓦尔斯材料上的红外双曲变面特性，在红外可变平台设备的开发中取得重要进展。

    文章中Hillenbrand团队利用超高分辨散射式近场光学显微镜neaSNOM，对纳米级氮化硼薄膜表面进行了精细扫描。该类型薄膜表面一般具有光学超表面特性，同时可以支持深度亚波长尺度的声子极化激元。研究者在在这样的纳米结构基础上，通过neaSNOM优于10nm空间分辨率的光谱和近场光学图像观测到了发散极化子束的不规则波前，如下图所示。图1 A为该项工作的原理示意，图1 B为该结构的形貌表征；图1 C、D为近场强度信号在该结构中的纳米成像并分辨对应HMS(实线)及hBN（虚线）结果。这些表征结果精确描述了hBN光栅功能面内的HMS。

图1：散射式近场光学显微镜（neaSNOM）下声子极化激元在20纳米的hBN-HMS的成像结果。C、D 即为近场强度信号在该结构中的纳米成像并分辨对应HMS(实线)及hBN（虚线）结果。

    该工作在光学超表面光学性质的研究，对于控制材料的等离子体极化激元有着突出的意义，其中利用到一种独特的相位和振幅信号分离技术，这种技术是超高分辨散射式近场光学显微镜neaSNOM专利申请，如下图，HMS-PHPs的波前成像结果显示其发散极化子束的不规则波前，是双曲极化子的重要特征。近场增强和限制可以有效操纵交换表面发射的热辐射。该项研究成果揭示了各向异性材料中极化基元的不规则波前，与此同时，该类型纳米结构尺寸的范德华材料拥有优异的双曲线性质，使得红外可变平台设备的开发在未来的研究中将进一步成为可能。

图2：散射式近场光学显微镜（neaSNOM）下HMS-PHPs的波前成像结果。C中近场成像结果获取于w = 1430 cm⁻¹单色波长激发。 

 科普小知识

neaSNOM是德国neaspec公司推出的第三代散射式近场光学显微镜（简称s-SNOM），其采用了专利化的散射式核心设计技术，极大的提高了光学分辨率，并且不依赖于入射激光的波长，能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内，提供优于10nm空间分辨率的光谱和近场光学图像。由于其高度的可靠性和可重复性，neaSNOM业已成为纳米光学领域热点研究方向的首选科研设备，在等离基元、纳米FTIR和太赫兹等众多研究方向得到了许多重要科研成果。

 超高分辨成像技术的诸多特点，你知道吗？

♦  neaSNOM是目前世界上唯一成熟的s-SNOM成像产品

♦  专利保护的散射式近场光学测量技术——独有的极高10 nm空间分辨率

♦  专利的高阶解调背景压缩技术——在获得10nm空间分辨率的同时保持极高的信噪比

♦  专利保护的干涉式近场信号探测单元

♦  专利的赝外差干涉式探测技术——能够获得对近场信号强度和相位的同步成像

♦  专利保护的反射式光学系统 ——用于宽波长范围的光源：可见、红外以至太赫兹

♦  高稳定性的AFM系统，——同时优化了纳米尺度下光学测量 

♦  双光束设计——极高的光学接入角：水平方向180°，垂直方向60° 

♦  操作和样品准备简单 ——仅需要常规的AFM样品准备过程