Nature Communications：二維光電器件中的非對稱光操控

來源：布魯克納米表面儀器部分類：科技文獻

2025-06-26 09:45:15 201閱讀次數

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第144期

布魯克期刊俱樂部

Bruker Journal Club

同濟大學物理科學與工程學院周雷博士

研究背景

在微納光子學領域，納米尺度光場分布的精準操控始終面臨關鍵技術挑戰。傳統光學器件受限于光的衍射極限，難以實現百納米以下的高效光場操控。極化激元作為光與物質耦合形成的準粒子，可將光場壓縮至納米尺度，為突破這一極限提供了新路徑。近期，天然三維晶體中的剪切極化激元可以實現光的非對稱傳播，進一步提升了納米尺度光的定向操控能力。然而，這類極化激元的調控受限于體材料本征屬性，難以實現動態調節。

針對這一難題，同濟大學物理科學與工程學院王占山教授和程鑫彬教授團隊的江濤教授，聯合美國紐約城市大學Andrea Alù教授、中南大學的倪祥教授，提出了一種基于二維范德華材料的剪切極化激元調控策略。研究團隊利用α相三氧化鉬（α-MoO₃）天然雙曲特性，通過構建層間扭轉角可調的異質結構，在二維體系中實現了雙曲剪切極化激元的多維度操控。實驗證實，可以通過調節雙層α-MoO₃的厚度和轉角，顯著改變體系的對稱性，從而精準操控納米尺度極化激元的傳播方向與模式分布。進一步耦合石墨烯場效應晶體管，實現了雙曲剪切極化激元的原位動態調控，為光電子學微納器件的開發提供了新思路。2025年3月26日，相關成果以“Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”為題，在線發表于國際期刊《自然?通訊》（Nature Communications）。

研究成果

該研究通過構建扭轉雙層α-MoO₃結構，在二維體系中誘導出雙曲剪切極化激元，進一步調節層間扭轉角度和厚度，可有效控制雙曲剪切極化激元的傳播方向、能量損耗和局域場強度。結合紅外散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）表征與全波電磁模擬，研究系統闡明了雙曲剪切極化激元的剪切效應及損耗調控機制：扭轉角度可增強極化激元的非對稱傳播特性，實現光信號沿特定方向的高效傳輸，同時優化局域場分布；調節厚度可進一步豐富傳播特性；而通過引入石墨烯的費米能級調控，成功實現對外加電場響應的實時動態調節。

值得關注的是，該研究不僅突破了三維低對稱性材料對剪切極化激元調控的固有局限，更通過二維材料體系拓展了剪切極化激元的調控維度，展示了其在動態可調諧納米光電子器件中的應用潛力。

圖1 轉角α-MoO₃剪切極化激元的示意圖

紅外散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）的貢獻

本研究使用 Bruker nanoIR3s 紅外散射型掃描近場光學顯微鏡，檢測扭轉雙層α-MoO₃結構的近場成像。并在其基礎功能上創新耦合了電學調控模塊、近場光電流測試模塊與偽外差測試模塊，從而實現對外加電場的精確調控，進一步拓展近場光學測量能力。在實驗表征中，s-SNOM 通過原子力顯微鏡探針耦合紅外激光，使探針尖端的強局域場與樣品相互作用，從而產生近場散射信號。由于探針的納米級尺寸，該方法可突破衍射極限，實現高空間分辨率的光學成像和光譜測量。此外，探針的振動調制與鎖相檢測技術結合，可有效抑制遠場背景干擾，提高信號的信噪比。