北京大學極端光學團隊在研究中取得重要進展
發(fā)布時間：2023-09-01 1113人看過
近日，北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室“極端光學團隊”胡小永教授、高宇南研究員和龔旗煌院士與北京大學長三角光電科學研究院孫泉研究員在低損耗介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場模式的超高時空分辨研究中取得重要進展。研究團隊利用國家重大科研儀器研制項目“飛秒-納米時空分辨光學實驗系統(tǒng)”支持搭建的超高時空分辨光電子顯微鏡（PEEM）實驗平臺，揭示了六方氮化硼（hBN）波導近場模式的超快時空演化規(guī)律、hBN微納結(jié)構(gòu)矢量渦旋場的靜態(tài)模式場分布及其光電子發(fā)射特性。該工作開辟了新型低維寬禁帶半導體微納結(jié)構(gòu)近場模式研究的新方向，對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)是實現(xiàn)片上微納光學器件的重要基礎(chǔ)，如何實現(xiàn)介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場模式超高時空分辨探測和快速直接成像研究是人們面臨的一個挑戰(zhàn)。常規(guī)的近場模式探測手段包括掃描近場光學顯微鏡(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，時間分辨PEEM（TR-PEEM）具有飛秒-納米時空分辨本領(lǐng)和快速直接成像（非掃描式）的優(yōu)點，同時可實現(xiàn)光發(fā)射電子能量和動量空間的探測，對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)被廣泛應用于金屬材料微納結(jié)構(gòu)近場模式的研究，包括傳播型和局域型表面等離激元的研究（例如研究團隊前期工作：
Nat. Commun. 9, 4858 (2018); RRL, 124, 163901 (2020); Nano Lett. 21, 9270–9278 (2021) ）。由于低損耗介質(zhì)材料的導電性較差，在PEEM測量過程中將導致嚴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)近場模式研究中的應用。
研究團隊前期開展了較高損耗的ITO微納結(jié)構(gòu)和窄帶半導體材料微納結(jié)構(gòu)的近場模式的研究(Nano Lett. 20, 3747–3753 (2020), Adv. Mater. 33, 2100775 (2021))。在本次新工作中，研究團隊進一步把材料體系擴展到新型低損耗的寬帶隙半導體材料，利用機械剝離和干法轉(zhuǎn)移技術(shù)將厚度為80nm的hBN薄片轉(zhuǎn)移到鍍有10nm的ITO導電層的玻璃襯底上，ITO導電層能避免PEEM測量過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)。研究團隊利用TR-PEEM獲得了波長400nm超短激光脈沖作用下hBN波導模式與延遲的入射激光相干形成的近場模式的波包演化與傳輸過程（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)波包的群折射率達到2.2。
研究團隊進一步根據(jù)hBN微納結(jié)構(gòu)最低階近場模式的超小近場局域、超強近場增強、超快時間響應，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外光路進行方便的調(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用。
此項研究將光電子顯微鏡在微納光學領(lǐng)域的應用拓展到低損耗介質(zhì)近場模式研究，結(jié)合新型低維寬禁帶半導體材料，實現(xiàn)了低損耗介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場渦旋場的靜態(tài)模式超高空間分辨觀測、平板波導模式演化直接高時空分辨觀測、并實現(xiàn)了基于hBN體系的新型光電子源，開辟了基于超高時空分辨PEEM的低損耗介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)近場模式研究的新方向，未來在拓撲近場模式、超表面近場研究和片上光器件檢測等方面有應用前景。
