2025年，同濟(jì)大學(xué)程鑫彬教授和江濤教授團(tuán)隊在nature communications發(fā)表了一篇題為“Engineering shear polaritons in 2D twisted heterostructures”的文章，探究了一種新型的HShPs(hyperbolic shear polaritons,雙曲剪切極化子)的動態(tài)實(shí)時重構(gòu)手段，通過扭轉(zhuǎn)雙層α-MoO?(一種二維材料)結(jié)構(gòu)，人工引入剪切效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)HShPs的可控激發(fā)與調(diào)控。

實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

文章通過機(jī)械剝離法制備α-MoO3薄層，精確控制上下層厚度(d1,d2)和扭轉(zhuǎn)角度(θ);制備雙層α-MoO3/石墨烯異質(zhì)結(jié)器件，通過背柵電壓調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(E_F);如圖1(a)所示，使用紅外近場光學(xué)顯微鏡在931cm-1光波頻率下激發(fā)HShPs，觀測其非對稱傳播和場分布，利用傅里葉變換分析提取動量空間中的等頻線(IFCs)、量化剪切因子(Shear factor)和品質(zhì)因子(Q)，通過改變柵壓(V_g)調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級，動態(tài)改變HShPs的傳播方向和拓?fù)涮匦浴?/p>

其中，動態(tài)調(diào)控石墨烯的過程面臨不小的挑戰(zhàn)，石墨烯電阻變化信號幅度極小，極易被環(huán)境噪聲淹沒，需要高靈敏度、高信噪比的測量工具精確關(guān)聯(lián)Ef與HShPs的動態(tài)變化。此時，賽恩科儀OE1022鎖相放大器作為實(shí)驗(yàn)中的核心檢測設(shè)備，負(fù)責(zé)實(shí)時記錄石墨烯電阻的微小變化，為動態(tài)調(diào)控HShPs提供關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)支持。

圖1.(a)紅外散射型掃描近場光學(xué)顯微鏡測量扭曲雙層α-MoO3中的工程 HShPs 示意圖

(b)θ值的增加會使 HShPs 的等頻等值線(IFCs)從雙曲線(黃色)轉(zhuǎn)變?yōu)楣軤?藍(lán)色)

(c)在固定θ = 60°和d2 = 170 nm的情況下，頂層厚度可用于控制IFC的形狀

(d、e)透射矩陣法得到的反射系數(shù)(Im(rpp))和有限差分時域(FDTD)模擬得到的實(shí)空間場分布(Re(EZ))

測量系統(tǒng)搭建

具體實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)如圖2(a)所示，其中由Keithley 2450源表施加背柵電壓VBG，用于調(diào)制石墨烯載流子濃度進(jìn)而改變石墨烯電阻與費(fèi)米能級(E_F對載流子濃度變化極為敏感)，從而動態(tài)改變HShPs傳播方向，并誘導(dǎo)拓?fù)滢D(zhuǎn)變(如圖2(b)所示，雙曲→橢圓色散);由賽恩科儀OE1022鎖相放大器實(shí)時、精確監(jiān)測石墨烯電阻R，記錄R-VBG曲線，結(jié)合霍爾效應(yīng)模型計算EF。最終關(guān)聯(lián)OE1022輸出數(shù)據(jù)與s-SNOM近成像結(jié)果，建立EF-HShPs動態(tài)調(diào)控模型。

圖2.(a)扭曲雙層α-MoO3 /石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖;Ein和Eout分別表示入射和散射電場;VDS：漏極-源極電壓;VBG：背柵電壓(調(diào)控石墨烯電阻)，(b)不同費(fèi)米能級EF下HShPs的計算顯示，柵極調(diào)整可用于改變HShPs的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和方向，從雙曲(黃色)過渡到橢圓(藍(lán)色)，(r)EF越負(fù)，剪切因子越大，這表明柵極調(diào)諧誘導(dǎo) HShPs 的不對稱性增強(qiáng)，(c)-(q)不同EF下的HShPs實(shí)驗(yàn)近場圖像，以及其傅里葉光譜。

總結(jié)

通過二維材料扭轉(zhuǎn)和異質(zhì)結(jié)集成，本實(shí)驗(yàn)首次在非單斜晶系材料中實(shí)現(xiàn)HShPs的可控激發(fā)與動態(tài)重構(gòu)，突破了傳統(tǒng)體材料的局限性。該平臺實(shí)現(xiàn)了HShPs的多維調(diào)控(靜態(tài)+動態(tài))，為片上極化激元器件(如光學(xué)開關(guān)、調(diào)制器)和亞衍射成像提供了新思路。

審核編輯 黃宇