全新一代10 nm空間分辨超快光譜和成像系統(tǒng)助力突破前沿科學(xué)

導(dǎo)讀：

近日，國務(wù)院印發(fā)《推動大規(guī)模設(shè)備更新和消費(fèi)品以舊換新行動方案》，方案大力支持設(shè)備以舊換新。Neaspec公司致力于前沿創(chuàng)新光譜技術(shù)發(fā)展，不斷拓展前瞻性應(yīng)用，研發(fā)推出的全新一代納米空間分辨超快光譜和成像系統(tǒng)——neaSCOPE^+fs，更是將納米光學(xué)研究推向新高度。

近年來，掃描近場光學(xué)顯微鏡和超快激光器的結(jié)合，為超快科學(xué)注入了更為前沿的創(chuàng)新技術(shù)，已成為光物理、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、微納加工、化學(xué)動力學(xué)和生命科學(xué)等學(xué)科取得新突破的重要手段。德國attocube公司研發(fā)推出的全新一代納米空間分辨超快光譜和成像系統(tǒng)——neaSCOPE^+fs是一款在相同探測區(qū)域同步探測AFM三維物態(tài)形貌、超分辨光學(xué)成像和光譜掃描的綜合納米光學(xué)測量系統(tǒng)。設(shè)備極大的提高了光學(xué)分辨率，能夠在可見、紅外、太赫茲全波段范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于10 nm空間分辨率的光學(xué)成像與光譜測量。在全新技術(shù)的加持下，neaSCOPE^+fs同時支持針尖增強(qiáng)拉曼（TERS）、納米光致發(fā)光（nano-PL）和fs超快光譜（ultrafast nanoscopy）等功能的聯(lián)用。同時，AFM具備多關(guān)聯(lián)通道，支持拓展c-AFM、KPFM、PFM、TFM和nano-photocurrent等先進(jìn)力學(xué)和電學(xué)表征功能。適用于研究低維材料、量子材料、半導(dǎo)體材料、光伏和新能源材料、有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料、高分子材料和生命科學(xué)等材料。

圖1、 納米空間分辨超快光譜和成像系統(tǒng)

neaSCOPE超快泵浦-探測納米顯微鏡技術(shù)通過提供具有納米尺度空間分辨率的時間分辨光譜，實(shí)現(xiàn)對納米材料中動態(tài)過程的研究。該顯微鏡可檢測探針散射光的振幅和相位，提供樣品反射率和吸收率信息。特殊的全反射光學(xué)元件有助于利用中紅外、近紅外、太赫茲、可見光甚至紫外光譜范圍的光源。納米級紅外光譜學(xué)設(shè)計能夠在10-20 nm的空間分辨率下進(jìn)行超快光學(xué)成像和瞬態(tài)光譜采集。系統(tǒng)配備了豐富的泵浦源（390 nm、525 nm、780 nm、1050 nm、1560 nm）和探測源（650cm^-1-2200cm^-1）、（0.5-2THz）可供選擇，能夠?qū)悠吩?span style="box-sizing: border-box; color: rgb(0, 112, 192);">納米尺度進(jìn)行百毫瓦和瓦級的泵浦激勵。同時，該系統(tǒng)支持第三方光源集成，如OPO、DFG、自由電子激光、強(qiáng)場太赫茲源、太赫茲光頻梳和同步輻射等先進(jìn)光源。

圖2、 基于雙光路設(shè)計的泵浦-探測超快光路示意圖

Nature Comm：納米時-空分辨技術(shù)在掃描近場顯微鏡中的應(yīng)用

圖3、層狀半導(dǎo)體中雙曲瞬態(tài)等離激元的調(diào)控

黑磷的電子能帶和光學(xué)介電常數(shù)的各向異性可導(dǎo)致顯著的各向異性光電導(dǎo)率，這表明黑磷可能支持雙曲等離激元，但其本征載流子的低摻雜水平阻礙了對其雙曲等離激元的觀測。

近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心陳佳寧研究員，與國家納米科學(xué)中心戴慶研究員、劉前研究員、蘇州實(shí)驗(yàn)室薛孟飛副研究員合作，通過超快飛秒激光脈沖誘導(dǎo)黑磷的介電張量出現(xiàn)相反的符號，激活并實(shí)現(xiàn)了黑磷中低損耗瞬態(tài)雙曲等離激元的主動調(diào)控。通常情況下，光誘導(dǎo)電子躍遷會顯著提高半導(dǎo)體的載流子密度，這為光學(xué)調(diào)控等離激元提供了一條實(shí)用途徑。在這項工作中，通過光泵浦過程將大量熱載流子注入黑磷，從而激發(fā)并直接觀測到了穩(wěn)態(tài)下不存在的雙曲等離激元。由此產(chǎn)生的非平衡態(tài)使光學(xué)等頻面從原始的橢球形拓?fù)滢D(zhuǎn)變?yōu)楹币姷乃矐B(tài)雙曲面形。此外，對不同泵浦探測延遲下非平衡態(tài)的動力學(xué)分析表明，黑磷的雙曲等離激元可以同時存在約5 ps的傳播態(tài)模式與約40 ps的邊界局域模式。相關(guān)研究成果以“Manipulating hyperbolic transient plasmons in a layered semiconductor”為題發(fā)表于Nature Communications, 15, 709 (2024)。

圖4 、瞬態(tài)等離激元的動力學(xué)過程

Nature Photonics：光泵浦太赫茲探測近場顯微鏡的在范德華異質(zhì)結(jié)層間超快探測的應(yīng)用

量子力學(xué)中最基本的表現(xiàn)之一——隧道效應(yīng)（Tunnelling），以及近期光波驅(qū)動的掃描隧道顯微鏡（STM）技術(shù)的出現(xiàn)，通過直接解析電導(dǎo)樣品中的電子隧道效應(yīng)，很大程度改變了超快納米科學(xué)。太赫茲近場顯微鏡（ultrafast THz-SNOM）能夠用于在絕緣體中進(jìn)行隧道過程的超快納米視頻觀測，可作為對材料量子效應(yīng)觀測的互補(bǔ)技術(shù)。太赫茲“近場”隱失波能夠反映探測電子-空穴對的局部極化率隨時間演變，利用亞周期時間分辨率進(jìn)行檢測。

來自德國雷根斯堡大學(xué)的物理系和超快納米顯微鏡雷根斯堡中心的R. Huber團(tuán)隊利用太赫茲頻率的超快散射型掃描近場光學(xué)顯微鏡（ultrafast THz-SNOM），作為一種非侵入性、亞周期和無接觸的探針，用于在絕緣基底上的WSe₂/WS₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)中探測電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)?；趯娱g隧道過程中電子-空穴對極化率的關(guān)鍵變化，結(jié)合密度泛函理論，并通過與超快電荷分離直接相關(guān)的太赫茲發(fā)射進(jìn)行確認(rèn)。觀測到了太赫茲近場追蹤的瞬態(tài)亞周期極化率，以繪制層間電子-空穴對種群的納米尺度積累和衰減過程。觀測了范德瓦爾斯異質(zhì)雙層中的飛秒層間傳輸，并揭示了在深度亞波長納米尺度上局部層間激子形成和消失的顯著變化。這種無接觸的隧道誘導(dǎo)動力學(xué)納米顯微鏡技術(shù)應(yīng)該適用于導(dǎo)體和非導(dǎo)體樣品，并揭示了超快傳輸過程如何塑造各種凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中的功能性質(zhì)。該工作以 “Subcycle contact-free nanoscopy of ultrafast interlayer transport in atomically thin heterostructures”為題發(fā)表在Nature Photonics。

圖5：超快太赫茲發(fā)射納米顯微術(shù)來測量超快層間隧道效應(yīng)的時間（左），利用超快的納米近場顯微術(shù)來研究隧道效率和電子-空穴對壽命的納米尺度上的非均勻性

作者通過使用neaSCOPE^+fs技術(shù)測量了WSe₂/WS₂異質(zhì)層表面上局部THz響應(yīng)的變化，從而提供了激子結(jié)合強(qiáng)度和壽命的精確圖譜。延長壽命的區(qū)域表明存在有利的局部原子排列（例如應(yīng)力、扭曲角度等）。此外，泵浦引起的激子之間的層間隧道傳輸會產(chǎn)生一個垂直于平面的電流，作為相干THz輻射的源。neaSCOPE^+fs能夠在亞周期時間尺度上測量這種輻射，直接獲得飛秒級電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)（包括隧道電流和時間常數(shù)）。這展示了對Mott相變、能量收集和光發(fā)射等過程進(jìn)行超快原位研究，針對納米尺度上原子薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)展，旨在開發(fā)先進(jìn)的功能性納米材料。

國內(nèi)部分高水平文章：

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Nat. Mater. Broad spectral tuning of ultra-low-loss polaritons in a van der Waals crystal by intercalation 35.75

Nat. Phys. Moiré engineering of electronic phenomena in correlated oxides

Nano Lett. Revealing the Interaction of Charge Carrier–Phonon Coupling by Quantification of Electronic Properties at the SrTiO₃/TiO₂ Heterointerface

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