一种表征二维极化激元实空间特征的方法技术

本发明专利技术提供了一种表征二维极化激元实空间特征的方法，包括如下步骤：S1：将被测样品置于SiO2/Si基底上，使被测样品的一条边缘与散射型近场光学显微镜的悬梁臂边缘呈45

【技术实现步骤摘要】
一种表征二维极化激元实空间特征的方法


[0001]本专利技术涉及近场光学探测的纳米光学成像
，特别涉及一种散射型近场光学显微镜表征纳米级厚度的范德华半导体层状材料或范德华半导体层状材料与金属构成的异质结形成的二维极化激元的实空间特征的方法。

技术介绍

[0002]光学成像在现代科学中扮演着重要的角色，然而传统的光学成像技术的空间分辨率受到了衍射极限的束缚，不能解决纳米尺度下的光学现象研究工作，而能够突破传统光学衍射极限的近场光学成像技术正好可以解决这一难题。
[0003]近场光学成像的空间分辨率是由样品和光学探针之间的距离以及光学探针的尺寸决定的；当入射光波长远大于样品和光学探针之间的距离时，那么近场光学中样品的点扩散函数就完全由光学探针的尺寸决定。扫描型近场光学显微镜有孔径型扫描型近场光学显微镜和散射型扫描型近场光学显微镜两种，而孔径型扫描型近场光学显微镜的应用也很受限制，因为该设备是将入射激光导入光纤作为光学探头，再逼近至样品表面的近场区域，所以针尖的制备非常复杂，而且这样制备出来的光学探头不可避免的存在光泄露的问题。
[0004]现有技术中，研究这种近场区域内的物理现象的手段还有电子成像技术，电子能量损失谱等，这些技术都是通过利用电子和物质相互作用后的能量变化或阴极射线荧光来探测样品的光学局域态密度(LDOS)。相关现有技术如：(1)中国专利CN 107655891 A，一种表征纳米级厚度的范德华晶体光学各向异性的方法，公开日2018.02.02；(2)David T,Schoen,Aa Ron L,et al.Probing the electrical switching of a memristive optical antenna by STEM EELS.《Nature communications》.2016；(3)Raza S,Esfandyarpour M,Koh A L,et al.Electron energy
‑
loss spectroscopy of branched gap plasmon resonators.《Nature Communications》.2016。但是现有技术还存在一些缺陷和不足：首先这些技术都是探测模式的光学局域态密度，而光学态密度与极化激元本征模之间的关系非常的复杂，很难解释清楚；其次这些技术要求实验条件处于真空，增加了设备的复杂程度和实验的难度。例如电子能量损失谱得到的图谱是仅反映光学局部态密度在空间中的分布情况，并没有将杂化极化激元模式在实空间的形态特征直接呈现出来。
[0005]因此，需要一种能够简单、方便的将二维极化激元实空间特征表征出来的方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要解决的技术问题是通过散射型近场光学显微镜突破衍射极限，探究近场区域内光与物质的相互作用的物理现象，呈现二维极化激元的实空间特征。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术提供一种表征二维极化激元实空间特征的方法，步骤如下：
[0008]步骤一：将被测样品置于SiO2/Si基底上，使被测样品的一条边缘与散射型近场光学显微镜的悬梁臂边缘呈45
°
；
[0009]步骤二：使散射型近场光学显微镜的针尖沿着垂直于被测样品的边缘扫描，依次改变激发激光光源的波长，散射型近场光学显微镜通过扫描得到近场实空间图像；
[0010]步骤三：对步骤二中得到的近场实空间图像一一进行傅里叶变换处理，分别得到杂化极化激元模式的波矢量实部k
′
p
和传播长度L
p
；
[0011]步骤四：根据公式(1)和公式(2)求得各个波长下的杂化极化激元的波矢k
′
p
和L
p
，其中，k
′
p
为杂化极化激元波矢量实部，λ0是入射光源的波长，d是干涉条纹的周期，α为入射光波矢k0与样品平面的夹角，β为入射光波矢k0在样品平面内的投影k
xy
与被测样品边缘法线方向的夹角，k0表示入射光波矢，k0＝2π/λ0，L
p
为杂化极化激元的传播长度，W是傅里叶变化得到的傅里叶峰的半高宽。
[0012]本专利技术中，专利技术人通过采用散射型近场光学显微镜，对杂化极化激元完成实空间的成像，并保证了样品的完整性和可重复性。
[0013]进一步地，所述被测样品为范德华半导体层状材料或范德华半导体层状材料与金属的异质结，其横向尺寸≤140微米。
[0014]进一步地，所述被测样品为范德华半导体层状材料或范德华半导体层状材料与金属的异质结，其纵向厚度≤4微米。
[0015]进一步地，所述范德华半导体层状材料为可为WS2，WSe2，MoS2或MoSe2的薄膜。
[0016]在本专利技术的一个优选实施方式中，所述被测样品为WS2与单晶银盘构成的异质结，其横向尺寸为70微米，纵向厚度为2微米。
[0017]本专利技术具有如下技术效果：
[0018]本专利技术通过散射型扫面近场光学显微镜(s
‑
SNOM)激发范德华半导体层状材料内的波导模式与激子相互作用或范德华半导体层状材料的激子与金属的表面等离激元相互作用，并对其进行近场成像，进而通过对近场图像的分析求得所测样品的色散关系图。这一方法首先克服了远场测量手段对样品大小的限制，能够呈现样品近场范围内的光学信息，也克服了电子成像技术测量复杂的弊端，将二维极化激元的实空间特征直观表征出来。
附图说明
[0019]将参考附图对本专利技术所公开主题的实施例进行说明，其中：
[0020]图1是本专利技术进行实验测量的结构示意图。
[0021]图2是本专利技术中使用所述s
‑
SNOM扫描不同激发波长光源下得到的近场图像。
[0022]图3是对图2所示的近场图像进行傅里叶变换求得的对应于不同波长激发光源下异质结样品的色散关系图。
[0023]图4是对图2所示的近场图像进行傅里叶变换得到的杂化模式的传播长度的关系图。
具体实施方式
[0024]通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法得以阐明。
[0025]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0026]以范德华半导体层状材料WS2薄膜与单晶银盘构成的异质结为例，使用本专利技术所述的方法对其实空间特征进行表征。此异质结的横向尺寸为70微米，纵向厚度为2微米。
[0027]参考图1
‑
图4，本专利技术提供一种表征二维极化激元实空间特征的方法，步骤如下：
[0028]图1为本专利技术中实验测量的结构示意图。如图1所示，以散射型扫面近场光学显微镜(s
‑
SNOM)的悬梁臂为参考物，其中α为入射光波矢k0与样品面的夹角，β为入射光波矢k0在样品平面内的投影k
xy
与被测样品直边边缘法线方向的夹角，且α＝30
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表征二维极化激元实空间特征的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将被测样品置于SiO2/Si基底上，使被测样品的一条边缘与散射型近场光学显微镜的悬梁臂边缘呈45
°
；S2：使散射型近场光学显微镜的针尖沿着垂直于被测样品的边缘扫描，依次改变激发激光光源的波长，散射型近场光学显微镜通过扫描得到近场实空间图像；S3：对步骤二中得到的近场实空间图像一一进行傅里叶变换处理，分别得到杂化极化激元模式的波矢量实部k
′
p
和传播长度L
p
；S4：根据公式(1)和公式(2)求得各个波长下的杂化极化激元的波矢k
′
p
和L
p
，其中，k
′
p
为杂化极化激元波矢量实部，λ0是入射光源的波长，d是干涉条纹的周期，α为入射光波矢k0与样品平面的夹角，β为入射光波矢k0在样品平面内的投影k
xy
与被测样品边缘法线方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨慧，秦康，左宗岩，董子豪，张学进，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：