近日，國家納米科學(xué)中心戴慶課題組和北京大學(xué)高鵬課題組合作在單層氮化硼聲子極化激元方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果“Direct observation of highly confined phonon polaritons in suspended monolayer hexagonal boron nitride”于2020年8月17日在線發(fā)表于自然材料上（Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0763-z）。

極化激元是光子與材料中的偶極激發(fā)發(fā)生強(qiáng)耦合形成的準(zhǔn)粒子，它能夠突破光的衍射極限，將光波長壓縮到納米尺度進(jìn)行操控，在納米光電子器件和高靈敏傳感等領(lǐng)域具有重要的意義。極化激元的波長壓縮能力是研究極化激元物理特性的起源，這決定了局域光場增強(qiáng)效果和光電子器件集成度，因此不斷追求具有更高壓縮比的極化激元成為了納米光子學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。

二維范德華材料具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)可以支持豐富的極化激元模式，例如石墨烯中動態(tài)可調(diào)的等離激元、氮化硼中低衰減的聲子極化激元和過渡金屬硫族化合物中的激子極化激元等，為上述研究提供了理想的材料選擇。特別是單層氮化硼，由于其單原子層厚度，理論上支持具有最高波長壓縮的聲子極化激元，因此吸引了國際上多個研究組開展研究。但由于極化激元的壓縮能力和激發(fā)效率互相制約，目前實(shí)驗(yàn)上直接表征單層氮化硼聲子極化激元仍然面臨挑戰(zhàn)，無法對單層氮化硼聲子極化激元是否存在及其頻率位置的理論爭論給出明確的回答。因此，發(fā)展新的實(shí)驗(yàn)方法直接激發(fā)具有超高波長壓縮能力的極化激元具有重要的意義。

在前期的工作中，戴慶課題組通過設(shè)計(jì)納米光學(xué)結(jié)構(gòu)，在石墨烯等離激元和多層氮化硼聲子極化激元的光學(xué)激發(fā) (Nat. Commun., 2016, 7, 12334; Nat. Commun., 2017, 8, 1471; Adv. Mater., 2019, 31,1807788) 和性能調(diào)控規(guī)律 (Nat. Commun., 2019, 10, 1131; Adv. Mater., 2020, 32,1907105; Adv. Mater., 2016, 28, 2931）等方面取得了一系列進(jìn)展，完善了通過動量匹配實(shí)現(xiàn)等離激元高效激發(fā)的物理圖像。

戴慶課題組通過與北大高鵬課題組合作，利用電子波長短和高動量的先天優(yōu)勢，借助電子能量損失譜首次直接觀測到了懸空單層氮化硼中的聲子極化激元。通過使用具有 7.5 meV 的高能量分辨率和0.2 nm空間分辨率的STEM-EELS 技術(shù)，發(fā)現(xiàn)其聲子極化激元具有超高的光場束縛（超過 487）和超慢的群速度（大約 10-5c）。此外，由于電子束激發(fā)效率高，還分別探測到在亞 10 nm 厚度的 h-BN 薄片（3 nm， 4 nm， 7 nm 和 10 nm）中幾乎整個上剩余射線帶內(nèi)聲子極化激元的色散關(guān)系。這種聲子極化激元具有非同尋常的光場束縛和超慢群速度，可以將光與物質(zhì)相互作用增強(qiáng)到納米尺度量級，在光子集成回路以及在傳感方面有重要的應(yīng)用。

該工作是納米光子學(xué)研究和電鏡技術(shù)交叉融合的成果，通過發(fā)揮EELS的高能量和動量分辨的優(yōu)勢，解決了極化激元光學(xué)激發(fā)困難以及理論預(yù)測過程的爭論。另外，這種全新的二維范德華材料聲子極化激元的高效電子激發(fā)方式，為拓展二維范德華材料的物性和應(yīng)用探索提供了新思路。論文共同第一作者為北京大學(xué)博士生李寧和國家納米科學(xué)中心特別研究助理郭相東，通訊作者為國家納米科學(xué)中心的楊曉霞特聘研究員、戴慶研究員和北京大學(xué)的高鵬研究員。

上述研究工作獲得國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金和重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和中科院青促會等項(xiàng)目的資助。

圖a：電子激發(fā)單層h-BN聲子極化激元的示意圖，圖b：單層h-BN聲子極化激元的電子能量損失譜