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科研成果
杜進隆、高鵬和肖雲峰合作發展了納米結構光學模式測量技術
發布日期:2022-08-09 浏覽次數:
  编辑:杜进隆   |   审核:徐军

北京大学电子显微镜实验杜进隆、量子材料科學中心和电子显微镜实验高鹏与現代光學研究所肖云峰课题组利用扫描透射电镜-電子能量損失譜技術的高空間分辨、寬能量匹配和大動量匹配的優勢,研究展示了單個納米結構中縱向法布裏一珀羅和橫向回音壁模式的同時測量,相關工作以“電子顯微鏡在超寬能量和動量匹配探測SiC 納米線中的電子-光子相互作用“(Electron microscopy probing electron-photon interactions in SiC nanowires with ultra-wide energy and momentum match)爲題發表在《納米快報》(Nano Letters)。

納米尺度光場特性、光與納米材料相互作用的研究是發展先進光電器件、光子芯片的基礎。基于激光的吸收/散射光谱、光致发光光谱是探测纳米材料和纳米结构光子响应的有效手段。但利用光作为探测工具的传统光谱学技术往往也受到一些限制:第一,由于光子没有静止质量,只有那些动量传递很小的相互作用才能被激发;第二,一些频率窗口(例如,远红外频段)没有被当前实验室级的商业化激光光源覆盖;此外,光学近场技术需要发射跨越超宽频谱的连续波激光来激发不同阶波导模式,这不仅使实验研究在技术上具有挑战性,而且不同波导模式耦合的研究也很困难;第三,光谱学的空间分辨率由于受到经典衍射效应的限制,通常只有微米或百纳米级,并且光和物质之间的相互作用截面通常很小,因此由于空间分辨率有限或作用截面小,通常难以探测来自微小纳米结构的信号。为了克服这些限制从而有效地探测微纳米结构中的光学行为,需要进一步发展光学技术或者寻找新的测量手段。电子显微镜和光学显微镜是物质科學研究中广泛使用的两种工具,是材料科学和纳米技术的“眼睛”,它们分别采用电子散射和光子散射作为探测手段。长久以来它们基本是独立向前发展,电镜侧重于结构分析而光显侧重于物理过程的探测。但近年来,随着电子单色性的提高,利用电镜的高能电子束探测物理过程的研究也越来越多。实际上,由于电镜高能电子束具备纳米至亚埃级的束斑尺寸、良好的相干性,较好的单色性,在材料物性探测方面可以与光学探测实现空间尺寸、动量、能量以及时间尺度的互补。

近日,北京大学电子显微镜实验杜进隆、現代光學研究所肖云峰课题组、量子材料科學中心和电子显微镜实验高鹏课题组利用高能量分辨率的扫描透射电镜-電子能量損失譜(Scanning Transmission Electron Microscopy-Electron Energy Loss SpectroscopySTEM-EELS)技術,發揮電子作爲探測工具具有高空間分辨、寬能量匹配和大動量匹配的優勢,在單個SiC納米線中同時測量到了縱向法布裏一珀羅(Fabry–PerotFP)本征模式和橫向回音壁(whispering-gallery modes WGMs)本征模式,能量範圍從近紅外(~1.2 μm)到極紫外(~0.2 μm),動量轉移範圍達108 cm-1,並進一步揭示了尺寸效應對納米線共振譜的影響。該工作提供了一種新的測量納米結構中光-物質相互作用的技術。

北京大學電子顯微鏡實驗室杜進隆工程師、廈門大學電子科學與技術學院陳錦輝副教授和北京大學物理學院2017級博士研究生李躍輝爲論文共同第一作者,北京大學物理學院2018級博士研究生時若晨、武媚爲論文共同作者,北京大學肖雲峰教授和高鵬教授爲論文共同通訊作者。上述研究工作得到國家自然科學基金的支持。

論文原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01672


                                             


1.電子束測量單個SiC纳米线本征模式实验原理示意圖、激发本征模式示意圖及相应实验测量结果。