近日，國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(dòng)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(guò)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(zhǎng)壓縮的聲子極化激元，因此吸引了國(guó)際上多個(gè)研究組開(kāi)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(wú)法對(duì)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(zhēng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)動(dòng)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(guò)與北大高鵬課題組合作，利用電子波長(zhǎng)短和高動(dòng)量的先天優(yōu)勢(shì)，借助電子能量損失譜首次直接觀測(cè)到了懸空單層氮化硼中的聲子極化激元。通過(guò)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(chǎng)束縛（超過(guò) 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(cè)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(gè)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(chǎng)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(jí)，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(guò)發(fā)揮EELS的高能量和動(dòng)量分辨的優(yōu)勢(shì)，解決了極化激元光學(xué)激發(fā)困難以及理論預(yù)測(cè)過(guò)程的爭(zhēng)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(guó)家納米科學(xué)中心特別研究助理郭相東，通訊作者為國(guó)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(guó)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(guó)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(huì)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：?jiǎn)螌觝-BN聲子極化激元的電子能量損失譜