CN111934101B - 一种激发二维范德华材料极化激元的方法 - Google Patents

一种激发二维范德华材料极化激元的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激发二维范德华材料极化激元的方法，所述方法包括如下步骤：使用高能电子照射二维范德华材料，实现二维范德华材料极化激元的激发。所述方法利用高能电子波长短的优势，提供超高动量补偿和超高空间分辨，从而借助电子辐射出的电磁场诱导二维范德华材料上产生表面电磁波，即极化激元。所述方法不仅能够对多层二维范德华材料的极化激元进行有效激发，还能够对单层二维范德华材料进行有效激发，这不仅能够为二维范德华材料极化激元的研究提供基础，有利于探索新材料中的极化激元与量子限域效应，也能够为将二维范德华材料用于小型光子学器件提供理论基础。

Description

一种激发二维范德华材料极化激元的方法
技术领域
本发明属于电子激发技术领域，涉及一种激发材料极化激元的方法，尤其涉及一种激发二维范德华材料极化激元的方法。
背景技术
二维范德华材料是由至少一层二维晶体通过范德瓦尔斯相互作用力形成的材料，这种材料容易通过机械剥离和微纳加工等方法构筑新型光学器件，石墨烯、过渡金属二硫属化物以及六方氮化硼为常见的二维范德华材料。
二维范德华材料存在丰富的极化激元形式，这些极化激元可以将自有空间中的光场束缚在二维范德华材料的表面，从而形成一种高压缩比的表面电磁波，为光子学器件的小型化发展提供了理论基础。
多层范德华材料与二维范德华材料中极化激元的激发难度不同，以六方氮化硼为例，多层六方氮化硼材料是天然低损耗的红外双曲材料，在其上剩余射线带(1370-1610cm-1)和下剩余射线带(780-830cm-1)内支持声子极化激元，声子极化激元是自由空间中的光子与六方氮化硼中的声子发生耦合形成的，其具有低损耗长距离传输的优势。
多层六方氮化硼中声子极化激元的电磁波导模式依赖于六方氮化硼材料的厚度，主要分布在纳米块状材料内部。同时，六方氮化硼越薄，其上面支持的极化激元场束缚越强，越难以被激发。如果将电磁波导束缚在单层纳米材料表面上，有利于实现更小尺寸上光子集成回路，实现光子学器件的小型化。但是，单层六方氮化硼中的横向光学声子和纵向光学声子会发生简并，不存在剩余射线带，其极化激元难以被激发。
因此，有必要提供一种激发二维范德华材料极化激元的方法，使其不仅能够激发多层二维范德华材料的极化激元，还能够有效激发单层二维范德华材料的极化激元，这不仅能够为二维范德华材料极化激元的研究提供基础，还能够为将二维范德华材料用于小型光子学器件提供理论基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激发二维范德华材料极化激元的方法，所述方法不仅能够有效激发多层二维范德华材料的极化激元，还能够对单层二维范德华材料进行有效激发，这不仅能够为二维范德华材料极化激元的研究提供基础，有利于探索新材料中的极化激元与量子限域效应，也能够为将二维范德华材料用于小型光子学器件提供理论基础。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种激发二维范德华材料极化激元的方法，所述方法包括如下步骤：
使用高能电子照射二维范德华材料，实现二维范德华材料极化激元的激发。
本发明所述高能电子为能量≥30keV的电子。
本发明所述高能电子的来源包括透射电子显微镜和/或真空隧穿电子源。本发明所述高能电子的波长较短，其具有的较高能量可以提供超高动量补偿和超高空间分辨率，使用高能电子照射二维范德华材料时可以借助电子辐射出的电磁场诱导二维范德华材料产生表面电磁波，实现二维范德华材料极化激元的激发。本发明提供的方法利用高能电子激发极化激元，为探索新材料中极化激元以及量子限域效应提供了合理的理论方法。
优选地，本发明所述高能电子的能量为30-400keV，例如可以是30keV、50keV、60keV、80keV、100keV、120keV、140keV、150keV、160keV、180keV、200keV、240keV、250keV、270keV、280keV、300keV、320keV、350keV、360keV或400keV，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。当高能电子的能量低于30keV时，二维范德华材料的极化激元无法得到有效激发；而当高能电子的能量高于400keV时，高能电子存在损坏材料的风险，因此，本发明将高能电子的能量限定为30-400keV。
进一步优选地，所述高能电子的能量为30-60keV，例如可以是30keV、35keV、40keV、45keV、50keV、55keV或60keV，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。在30-60keV的能量范围内，能够在不损伤二维范德华材料的前提下有效激发，还能获得原子级别的空间分辨率。
优选地，所述二维范德华材料包括石墨烯、黑磷、六方氮化硼、氧化钼或过渡金属二硫属化物中的任意一种。
当所述二维范德华材料为石墨烯或者黑磷时，使用高能电子照射能够激发基于电子共振的等离激元。
当所述二维范德华材料为六方氮化硼或者氧化钼时，使用高能电子照射能够激发基于声子共振的声子极化激元。
当所述二维范德华材料为过渡金属二硫属化物时，使用高能电子照射能够激发基于激子共振的激子极化激元。
优选地，所述二维范德华材料为采用化学气相沉积法或机械剥离法制备得到的二维范德华材料。
本发明所述化学气相沉积法为本领域常规的化学气相沉积法，只要能够实现二维范德华材料的制备即可，本发明不对化学气相沉积法中的具体参数做过多限定，本领域技术人员能够根据制备二维范德华材料的层数进行合理的设置。
本发明所述机械剥离法为本领域常规的机械剥离法，只要能够实现二维范德华材料的制备即可，本发明不对机械剥离法中的具体参数做过多限定，本领域技术人员能够根据制备二维范德华材料的层数进行合理的设置。
优选地，所述二维范德华材料的层数为至少1层，优选为单层二维范德华材料。
多层二维范德华材料极化激元的激发难度要低于单层二维范德华材料，其中“多层”为至少两层。以多层六方氮化硼为例，其上剩余射线带(1370-1610cm-1)和下剩余射线带(780-830cm-1)内支持声子极化激元。但单层六方氮化硼的横向光学声子和纵向光学声子会发生简并，不存在剩余射线带，其极化激元在理论上难以激发。
但本发明所述方法不仅能够对层数为至少2层的二维范德华材料的极化激元进行激发，还能够对单层二维范德华材料的极化激元进行激发，且具有较高的空间分辨率。
优选地，所述二维范德华材料放置于导电衬底上。
优选地，所述导电衬底所用材料包括铜、钯或导电硅橡胶。
优选地，所述导电衬底上均匀布满通孔；所述通孔的形状为轴对称图形。
优选地，所述轴对称图形包括长方形、圆形或等边三角形中的任意一种。
本发明所述“均匀布满”是指相邻通孔之间的距离相等，且通孔大小相等。
优选地，所述通孔为圆形时，通孔直径为10-500μm，例如可以是10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm或500μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述通孔为长方形时，通孔的宽度为10-100μm，例如可以是10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；长度为20-500μm，例如可以是20μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm或500μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述通孔为等边三角形时，所述等边三角形的边长为10-500μm，例如可以是10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm或500μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述通孔的尺寸过大时，通孔内的空气难以使二维范德华材料在通孔部分保持悬空状态，因此，作为优选的技术方案，所述通孔内设置有支撑膜，所述支撑膜的表面设置有至少1个支撑通孔，所述至少1个支撑通孔内的空气使二维范德华材料在支撑通孔部分保持悬空状态。
所述支撑膜的表面所设置的支撑通孔的数量可以是1个、2个、3个、4个、5个或10个，但不限于所列举的数值，本领域技术人员可以根据测试需要进行合理地设置。
所述支撑通孔的形状包括规则形状或不规则形状，只要支撑通孔内的空气使二维范德华材料稳定悬空即可。
本发明所述支撑膜的材质包括但不限于碳。
优选地，所述支撑通孔的等效直径为2-3μm，例如可以是2μm、2.2μm、2.4μm、2.5μm、2.7μm、2.8μm或3μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明创造性的利用高能电子照射二维范德华材料，以实现厚度低至单层二维范德华材料的极化激元的激发，这不仅能够为二维范德华材料极化激元的研究提供基础，有利于探索新材料中的极化激元与量子限域效应，也能够为将二维范德华材料用于小型光子学器件提供理论基础。
附图说明
图1为本发明中电子与二维范德华材料不同空间位置时激发极化激元物理机制的电场分布图；
图2为实施例3中对单层六方氮化硼进行激发的电子能量损失谱图；
图3为实施例3中对单层六方氮化硼进行激发所得超高分辨率图像；
图4为实施例6中对多层六方氮化硼进行超高动量范围的表征信号；
图5为实施例6中对多层六方氮化硼进行激发所得超高分辨率图像。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明提供的方法利用高能电子照射二维范德华材料，其机理如图1所示。由图1可知，当电子分别照射二维范德华材料内部、边界和真空中时，高能电子辐射出的电磁场与二维范德华材料产生光学介电响应，在二维范德华材料表面诱导形成极化激元信号，存在明显的电场分布。
实施例1
本实施例提供了一种激发单层六方氮化硼极化激元的方法，所述方法包括如下步骤：
使用60keV的高能电子照射单层六方氮化硼，实现单层六方氮化硼极化激元的激发。
使用60keV的高能电子照射单层六方氮化硼，能够得到超高分辨率图像。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射单层六方氮化硼时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的单层六方氮化硼信号，因此可以高效激发单层六方氮化硼中的声子极化激元。
实施例2
本实施例提供了一种激发多层六方氮化硼极化激元的方法，所述方法包括如下步骤：
使用60keV的高能电子照射多层六方氮化硼，实现多层六方氮化硼极化激元的激发，所述多层六方氮化硼的厚度为10nm。
使用60keV的高能电子照射多层六方氮化硼，能够得到超高分辨率图像。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射多层六方氮化硼时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的多层六方氮化硼信号，因此可以高效激发多层六方氮化硼中的声子极化激元。
实施例3
本实施例提供了一种激发单层六方氮化硼极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将化学气相沉积法制备得到的单层六方氮化硼放置于铜衬底上，所述铜衬底均匀布满正方形通孔，正方形通孔的边长为100μm，通孔内设置有碳支撑膜，碳支撑膜的表面设置有等效直径2μm的支撑通孔，支撑通孔内的空气使单层六方氮化硼在支撑通孔部分呈悬空状态；然后使用60keV的高能电子照射悬空部分的单层六方氮化硼，实现单层六方氮化硼极化激元的激发。
照射单层六方氮化硼时的电子能量损失谱图如图2所示，谱线中较强的峰是由电子能量转移到单层六方氮化硼中极化激元形成的。如图3所示，60keV电子照射时能够得到超高分辨率单层六方氮化硼的晶格结构。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射单层六方氮化硼时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的单层六方氮化硼信号，因此可以高效激发单层六方氮化硼中的声子极化激元。
实施例4
本实施例提供了一种激发单层六方氮化硼极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将机械剥离法制备得到的单层六方氮化硼放置于钯衬底上，所述钯衬底均匀布满长方形通孔，长方形通孔的宽为10μm，长为20μm，通孔内布满空气，使单层六方氮化硼在通孔部分呈悬空状态；然后使用30keV的高能电子照射悬空部分的单层六方氮化硼，实现单层六方氮化硼极化激元的激发。
照射单层六方氮化硼时所得电子能量损失谱图中较强的峰是由电子能量转移到单层六方氮化硼中极化激元形成的。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射单层六方氮化硼时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的单层六方氮化硼信号，因此可以高效激发单层六方氮化硼中的声子极化激元。
实施例5
本实施例提供了一种激发单层六方氮化硼极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将机械剥离法制备得到的单层六方氮化硼放置于导电硅衬底上，所述导电硅衬底均匀布满正三角形通孔，正三角形通孔的边长为500μm，通孔内设置有碳支撑膜，碳支撑膜的表面设置有等效直径3μm的支撑通孔，支撑通孔内的空气使单层六方氮化硼在支撑通孔部分呈悬空状态；然后使用60keV的高能电子照射悬空部分的单层六方氮化硼，实现单层六方氮化硼极化激元的激发。
照射单层六方氮化硼时所得电子能量损失谱图中较强的峰是由电子能量转移到单层六方氮化硼中极化激元形成的。与此同时，60keV电子照射时能够得到超高分辨率单层六方氮化硼的晶格结构。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射单层六方氮化硼时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的单层六方氮化硼信号，因此可以高效激发单层六方氮化硼中的声子极化激元。
实施例6
本实施例提供了一种激发多层六方氮化硼极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将化学气相沉积法制备得到的多层六方氮化硼放置于铜衬底上，所述铜衬底均匀布满圆形通孔，圆形通孔的直径为10μm，通孔内布满空气，使多层六方氮化硼在通孔部分呈悬空状态；然后使用60keV的高能电子照射悬空部分的多层六方氮化硼，实现多层六方氮化硼极化激元的激发。所述多层六方氮化硼的厚度为10nm。
照射多层六方氮化硼时所得电子能量损失谱图中较强的峰是由电子能量转移到多层六方氮化硼中极化激元形成的。如图5所示，60keV电子照射时能够得到超高分辨率多层六方氮化硼的晶格结构。
高能电子的波长非常短，可以提供较高的动量补偿，由图4可知，照射多层六方氮化硼的高能电子可以提供至少108cm-1以上的动量补充，从而获得宽动量范围内的多层六方氮化硼信号，因此可以高效激发多层六方氮化硼中的声子极化激元。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射多层六方氮化硼时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的多层六方氮化硼信号，因此可以高效激发多层六方氮化硼中的声子极化激元。
实施例7
本实施例提供了一种激发单层石墨烯极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将机械剥离法制备得到的单层石墨烯放置于铜衬底上，所述铜衬底均匀布满圆形通孔，圆形通孔的直径为100μm，通孔内设置有碳支撑膜，碳支撑膜的表面设置有等效直径2μm的支撑通孔，支撑通孔内的空气使单层石墨烯在支撑通孔部分呈悬空状态；然后使用60keV的高能电子照射悬空部分的单层石墨烯，实现单层石墨烯极化激元的激发。
本实施例所述方法使用60keV的电子能够有效激发单层石墨烯的极化激元。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射单层石墨烯时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的单层石墨烯信号，因此可以高效激发单层石墨烯中的电子共振的等离激元。
实施例8
本实施例提供了一种激发单层黑磷极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将化学气相沉积法制备得到的单层黑磷放置于铜衬底上，所述铜衬底均匀布满圆形通孔，圆形通孔的直径为100μm，通孔内设置有碳支撑膜，碳支撑膜的表面设置有等效直径2μm的支撑通孔，支撑通孔内的空气使单层黑磷在支撑通孔部分呈悬空状态；然后使用60keV的高能电子照射悬空部分的单层黑磷，实现单层黑磷极化激元的激发。
本实施例所述方法使用60keV的电子能够有效激发单层黑磷的极化激元。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射单层黑磷时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的单层黑磷信号，因此可以高效激发单层黑磷中的电子共振的等离激元。
实施例9
本实施例提供了一种激发单层氧化钼极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将机械剥离法制备得到的单层氧化钼放置于铜衬底上，所述铜衬底均匀布满圆形通孔，圆形通孔的直径为100μm，通孔内设置有碳支撑膜，碳支撑膜的表面设置有等效直径2μm的支撑通孔，支撑通孔内的空气使单层氧化钼在支撑通孔部分呈悬空状态；然后使用60keV的高能电子照射悬空部分的单层氧化钼，实现单层氧化钼极化激元的激发。
本实施例所述方法使用60keV的电子能够有效激发单层氧化钼的极化激元。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射单层氧化钼时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的单层氧化钼信号，因此可以高效激发单层氧化钼中的声子极化激元。
实施例10
本实施例提供了一种激发单层二硫化钼极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将化学气相沉积法制备得到的单层二硫化钼放置于钯衬底上，所述钯衬底均匀布满圆形通孔，圆形通孔的直径为100μm，通孔内设置有碳支撑膜，碳支撑膜的表面设置有等效直径2μm的支撑通孔，支撑通孔内的空气使单层二硫化钼在支撑通孔部分呈悬空状态；然后使用60keV的高能电子照射悬空部分的单层二硫化钼，实现单层二硫化钼极化激元的激发。
本实施例所述方法使用60keV的电子能够有效激发单层二硫化钼的极化激元。
而且，由于高能电子波长非常短，可以提高较高的动量补偿，照射单层二硫化钼时提供的动量补偿可以获得宽动量范围内的单层二硫化钼信号，因此可以高效激发单层二硫化钼中的激子极化激元。
实施例11
本实施例提供了一种激发单层六方氮化硼极化激元的方法，所述方法包括如下方法：
将化学气相沉积法制备得到的单层六方氮化硼放置于铜衬底上，所述铜衬底均匀布满圆形通孔，圆形通孔的直径为500μm，通孔内设置有碳支撑膜，碳支撑膜的表面设置有等效直径2μm的支撑通孔，支撑通孔内的空气使单层六方氮化硼在支撑通孔部分呈悬空状态；然后使用420keV的高能电子照射悬空部分的单层六方氮化硼，由于高能电子的能量较高，使单层六方氮化硼的结构受到破坏，无法实现对单层六方氮化硼中极化激元的激发。
综上所述，本发明提供的方法不仅能够对多层二维范德华材料的极化激元进行有效激发，还能够对单层二维范德华材料进行有效激发，这不仅能够为二维范德华材料极化激元的研究提供基础，有利于探索新材料中的极化激元与量子限域效应，也能够为将二维范德华材料用于小型光子学器件提供理论基础。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种激发二维范德华材料极化激元的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
使用高能电子照射单层二维范德华材料，实现二维范德华材料极化激元的激发；所述高能电子为能量≥30keV的电子；
所述二维范德华材料为六方氮化硼或过渡金属二硫属化物；
所述二维范德华材料放置于导电衬底上，所述导电衬底上均匀布满通孔；所述通孔的形状为轴对称图形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高能电子的能量为30-400keV。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维范德华材料为采用化学气相沉积法或机械剥离法制备得到的二维范德华材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电衬底所用材料包括铜、钯或导电硅。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴对称图形包括长方形、圆形或等边三角形中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通孔为圆形时，通孔直径为10-500μm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通孔为长方形时，通孔的宽度为10-100μm，长度为20-500μm。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通孔为等边三角形时，通孔的边长为10-500μm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通孔内设置有支撑膜；所述支撑膜的表面设置有至少1个支撑通孔。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述支撑通孔的等效直径为2-3μm。
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