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探测激子极化激元在超薄范德华微晶中的光传播

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激子极化激元是一种准粒子,过渡金属二硫族化合物材料即使在室温下也能支持传播激子极化子,是非常好的纳米光子学研究平台.已有研究表明,通过散射型扫描近场光学显微镜可以对过渡金属二硫族化合物薄片中激子极化激元进行实空间探测,但波导厚度仅限于低至30 nm.本文采用三种不同波长的入射光(1550和1064 nm的近红外以及633 nm的可见光),通过基于原子力显微镜的散射型扫描近场光学显微镜测量,探测到MoS2和WSe2薄片中激子极化子普通横电模式的纳米光学成像.在厚度分别低至～3 nm(相当于4原子层)和～8 nm(相当于12原子层)的超薄MoS2和WSe2薄片上,可以清楚地观察到干涉条纹图案,大大打破了之前的测量厚度限制.当厚度接近几个原子层时,波矢量始终保持在1.6k0～1.7k0左右,而不是理论预言的1k0.这些模式的特性表明,体系是由近乎悬浮的过渡金属二硫族化合物薄片的三层对称波导构成,其对激子极性子的传播产生限域效应.研究结果为探索基于超薄过渡金属二硫族化合物材料的近红外区极化器件提供了深入的理解和开辟了新的途径.
Optical Propagation of Exciton Polaritons in Ultrathin van der Waals Micro-crystals down to Few Monolayers
The exciton polariton is a kind of quasiparticles and provides a promising opportunity to ex-plore fundamental quantum phe-nomena for photonic applica-tions.Transition-metal dichalco-genide(TMD)materials pro-vide the platform of nanopho-tonics that supports the propagative exciton polaritons even at room-temperature.Previous-ly,real space studies on thin flakes of TMDs by scattering-type scanning nearfield optical mi-croscopy(s-SNOM)were limited to waveguide thickness down to 30 nm.In this work,we present the nano-optical imaging of ordinary transverse electric modes of exciton polaritons in MoS2 and WSe2 down to a few atomic layers,measured by atomic force microscope-based s-SNOM.Surprisingly,the interference fringe patterns can be observed clearly at the prepared ultrathin TMD flakes with thickness down to～3 nm(4 ML)and～8 nm(12 ML)for MoS2 and WSe2,respectively,which breaks greatly the previous measurement limitation.The wavevec-tors stay around 1.6k0-1.7k0 constantly when the thickness approaching to a few MLs,in-stead of 1k0 according to the theory.These modes are supported by the nearly-freestanding TMD microflakes in the form of three-layer symmetric waveguide to confine the exciton po-laritons.Our results provide in-depth understanding and open new avenues to explore the po-laritonic devices operating at the near infrared region based on ultrathin TMD materials.

Two-dimensional transition-metal dichalcogenide materialScattering-type scanning near-field optical microscopyExciton polariton

Talha Ijaz、边琦、曹琰、丁皓璇、陈晓瑞、卢欢、杨树、邢雪婷、方思敏、刘孟源、张鑫、高健智、潘明虎

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陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安 710062

华中科技大学物理学院,武汉 430074

洛阳师范大学物理与电子信息学院,洛阳

英国伯明翰大学物理与天文学院,伯明翰B15 2TT

西安文理学院机械与材料工程学院,西安 710065

陕西师范大学地理与旅游学院,西安 710119

复旦大学信息科学与工程学院,上海 200433

珠海复旦创新研究院,珠海 519000

西北大学物理学院,西安 710069

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二维过渡金属二硫族化合物材料 散射型扫描近场光学显微镜 激子极化子

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2024

10.1063/1674-0068/cjcp2303024

化学物理学报(英文版)
中国物理学会

化学物理学报(英文版)

CSTPCDEI
影响因子：0.162
ISSN：1674-0068
年,卷(期)：2024.37(1)