科研进展

史志文课题组在二维材料纳米尺度局域应变的近场红外探测方面取得新进展

近日,纳米科学权威杂志《Nano Letters》刊发了上海交大物理与天文学院史志文课题组的题为“Phonon Polariton-assisted Infrared Nanoimaging of Local Strain in Hexagonal Boron Nitride”的文章,报道了其对二维六方氮化硼(hBN)晶体中局域应变超高灵敏红外纳米探测及成像方面取得的新进展。

应变可以在很大程度上改变材料原有的光学、电学性质甚至引起结构相变,因此研究材料中的应变分布有重要的价值。近年来,石墨烯、hBN、二硫化钼等二维材料及其异质结引起了广泛的关注。hBN作为一种绝缘体材料不仅可以作为其他二维材料的完美衬底使其性质得到极大提高,还可以与这些材料形成超晶格结构,从而衍生出许多新奇的物理现象,例如:石墨烯/氮化硼中的量子分形霍尔态、强关联莫特绝缘态以及超导态。不仅如此,hBN中还存在一种长寿命的准粒子——声子极化子,这种极化子可以在材料中以波的形式传播,并且波长可调节。hBN中的应变不仅可以改变超晶格的周期,还会改变声子极化子的色散曲线,所以探测hBN中的应变分布对研究二维材料物理有重要的价值。然而,此前一直缺少一种在纳米尺度上探测二维材料局域应变的有效技术手段。

图一:扫描近场光学显微镜探测氮化硼局域应变示意图(左)和一幅局域应变近场光学图片(右)。

为此,上海交通大学物理与天文学院史志文课题组发展了一种利用红外扫描近场光学显微镜探测二维晶体材料局域应变的技术,并利用该技术系统研究了六方氮化硼中的局域应变分布。该技术原理基于对应变导致的材料声子频率移动引起的红外光学响应变化的探测。当材料某区域存在应变时,该区域的声子频率会发生蓝移(由压应变引起)或红移(由张应变引起),声子频率移动会导致其对该频率红外光的响应发生变化。该探测运用近场光学技术,空间分辨率可达10纳米左右,非常适合探测材料中局域应变在纳米尺度上的分布。同时还具备高达10-4的探测灵敏度,即可探测出材料中万分之一的微小应变。该探测技术适用于所有极性二维材料。

图二:近场红外探测材料声子频率移动基本原理(a)及具体探测实例(b-e)。

该技术将一束频率接近材料光学支声子频率的红外激光聚焦在导电原子力显微镜针尖尖端并采集近场散射光信号。该散射光信号直接依赖于针尖下局部样品的介电函数,所以可以通过散射近场光信号的空间分布来得到材料声子频率移动的空间分布信息。进一步,通过建立材料声子频移与应变之间的关系,即可得到材料应变的空间分布信息。由于该探测技术提取的是弹性散射光信号,所以信号强度大、探测用时短,明显优于基于非弹性散射的针尖增强拉曼光谱探测技术。研究人员还发现,在探测光子频率高于声子共振频率时,局域应变对hBN中传播的声子极化子具有很强的反射作用,反射的声子极化子波可以进一步相干增强探测信号的强度。该现象不仅有助于局域应变的探测,而且为未来纳米光子器件提供了一种基于应变来操控光在纳米尺度上传播的新手段。

图三:在部分频率下,声子极化子在应变区域发生反射并使得探测信号相干增强。

该研究论文第一作者为交大物理与天文学院博士研究生吕博赛,通讯作者为史志文教授。合作单位及人员包括交大罗卫东教授及其学生单琬斐、加州大学伯克利分校王枫教授及其博士后姜丽丽、劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的科学家Hans A. Bechtel和Michael C. Martin、以及日本国立材料研究所的Takashi Taniguchi教授和Kenji Watanabe教授。

该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市东方学者奖励计划的资助,在此深表感谢。

论文链接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.8b05166