国家纳米中心发展新的晶体光学各向异性表征方法

最近，国家纳米科学中心的戴青团队和美国西施大学的刘孟昆教授成功地测量了氮化硼和二硫化钼的介电张量，利用近场光学技术克服了范德华晶体有限尺寸所带来的表征困难，并开发了一种表征晶体光学各向异性的新方法。相关研究成果在《自然通讯》在线发表，其表征方法已申请发明专利。这项研究得到了国家自然科学基金和科技部重点研究发展计划等项目的支持。

石墨烯、氮化硼、过渡金属硫属化物和其他新的二维材料都属于范德华晶体，每一种都具有优异的机械、电学和光学性能。它们是构建功能可控范德华异质结的基本单元，也是形成下一代高性能光电器件的基本材料。范德瓦尔斯晶体具有层状结构，由层中的强共价键和层中的弱范德瓦尔斯力结合而成。这种层状结构决定了范德华晶体的各种物理性质具有天然的各向异性，其中光学各向异性对于新型光电器件的设计和优化至关重要。由于高质量范德瓦尔斯单晶的尺寸问题，传统的基于远场光束反射的光学各向异性表征方法(如端面反射法和椭偏法)难以准确测量范德瓦尔斯微晶体的光学各向异性。

戴青的团队首次从理论上证明了各向异性范德瓦尔斯纳米薄膜中存在普通(TE)和非常规波导(TM)模式，这两种模式的面内波矢分别与范德瓦尔斯晶体的面内和面外介电常数有关。然后，利用散射扫描近场光学显微镜(s-SNOM)激发范德瓦尔斯纳米片的te和TM波导模式，并对其进行实空间近场光学成像。最后，通过对真实空间中的近场光学图像进行傅里叶分析，得到范德瓦尔斯晶体的光学各向异性测量值。上述方法克服了传统表征方法对样品尺寸的限制，能够准确表征单轴和双轴范德华晶体材料的光学各向异性。该方法也适用于通过衬底材料的优化设计来直接表征小甚至单层范德瓦尔斯晶体的光学各向异性。(高雅丽)

《中国科学报》(第五版《创新周刊》，2017年12月25日)