光子在納米尺度上的局域和操控是當(dāng)前納米光子學(xué)和片上光子學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。極化激元作為光子與粒子或準(zhǔn)粒子耦合形成的元激發(fā)，展現(xiàn)出優(yōu)異的光場(chǎng)限域能力，為實(shí)現(xiàn)納米尺度光子操控提供了巨大的潛力。相比于傳統(tǒng)體材料，二維材料的極化激元具有傳播損耗低、空間局域因子高和易于集成等優(yōu)勢(shì)。近年來，在天然范德華材料α相三氧化鉬(α-MoO3)中發(fā)現(xiàn)了具有低傳播損耗、沿面內(nèi)特定方向傳播的雙曲型聲子極化激元。在此基礎(chǔ)上，通過堆疊具有一定旋轉(zhuǎn)角度的兩層α-MoO3或?qū)ⅵ?MoO3與石墨烯進(jìn)行耦合，可以實(shí)現(xiàn)α-MoO3聲子極化激元的拓?fù)滢D(zhuǎn)變和主動(dòng)調(diào)控。然而，電學(xué)調(diào)控α-MoO3聲子極化激元的機(jī)制仍然缺乏系統(tǒng)性研究。
鑒于此，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院王占山教授和程鑫彬教授團(tuán)隊(duì)的江濤教授，聯(lián)合美國紐約城市大學(xué)Andrea Alù教授、美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校Markus B. Raschke教授和河南大學(xué)陳珂教授，將轉(zhuǎn)角α-MoO3與石墨烯堆疊并制備成電學(xué)器件，通過精確控制石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)角α-MoO3聲子極化激元的原位、主動(dòng)電學(xué)調(diào)控。基于在同濟(jì)大學(xué)搭建的散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微系統(tǒng)(s-SNOM)，對(duì)α-MoO3聲子極化激元隨石墨烯費(fèi)米能級(jí)變化的傳播行為進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，并發(fā)展了相應(yīng)的理論模型，揭示了轉(zhuǎn)角α-MoO3聲子極化激元的電學(xué)調(diào)控物理機(jī)制。該研究成果以“Gate-Tuning Hybrid Polaritons in Twisted α-MoO3/Graphene Heterostructures”為題發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。
轉(zhuǎn)角α-MoO3/石墨烯異質(zhì)結(jié)電學(xué)調(diào)控示意圖 單層α-MoO3和轉(zhuǎn)角雙層α-MoO3/石墨烯器件中極化激元的電學(xué)調(diào)控行為
論文首先研究了轉(zhuǎn)角α-MoO3聲子極化激元與石墨烯表面等離極化激元的耦合，在石墨烯不同費(fèi)米能級(jí)下，二者耦合產(chǎn)生的雜化極化激元展現(xiàn)出了不同的傳播行為。利用s-SNOM近場(chǎng)光學(xué)顯微系統(tǒng)，可以在~20 nm的空間分辨率下對(duì)極化激元進(jìn)行實(shí)空間成像。通過將紅外激光聚焦在具有金屬鍍層的s-SNOM針尖處，針尖激發(fā)的極化激元傳播到α-MoO3邊界處，被邊界反射后與針尖下方的極化激元干涉形成干涉條紋，通過提取干涉條紋的波長、振幅和耗散，可以厘清極化激元的傳播行為、分析極化激元的電學(xué)調(diào)控機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無論是在單層還是轉(zhuǎn)角雙層α-MoO3/石墨烯器件中，極化激元波長、振幅和耗散的數(shù)值都受到了石墨烯費(fèi)米能級(jí)的顯著調(diào)制。
該研究通過結(jié)合轉(zhuǎn)角和電學(xué)兩個(gè)操控維度，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角α-MoO3石墨烯體系中極化激元的電學(xué)主動(dòng)調(diào)控，并闡釋了相關(guān)的電學(xué)調(diào)控物理機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)極化激元在納米光電子學(xué)中的各種應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。
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同濟(jì)大學(xué)是論文第一單位，同濟(jì)大學(xué)江濤教授、河南大學(xué)陳珂教授、美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校Markus B. Raschke教授和美國紐約城市大學(xué)Andrea Alù教授為論文共同通訊作者，同濟(jì)大學(xué)博士研究生周州、宋仁康和光電專業(yè)本科生徐俊波為論文共同第一作者。對(duì)論文作出重要貢獻(xiàn)的合作者還包括同濟(jì)大學(xué)王占山教授、程鑫彬教授和黃迪教授。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03769
善準(zhǔn)真空等離子處理儀VP-R系列鏈接：http://www.jswvnrd.cn/page48.html
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