鲍桥梁/仇成伟Chem. Rev.:二维材料超光子学
戴志高、胡光维 2020-06-29

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论文作者:戴志高、胡光维、欧清东、张磊、夏丰年、Francisco J. Garcia-Vidal

通讯作者:仇成伟、鲍桥梁

第一单位:中国地质大学(武汉)


核心内容:
1综述从人工超材料出发,阐述了启发人工超材料的二维材料独特光学特性,包括天然超材料特性、独特的光学跃迁、低损耗的极化激元。
2系统讨论了实现基于二维材料的超光子学构建办法,如二维材料的微纳加工、二维材料的堆叠、以及二维材料与传统超结构的复合。在此基础上,总结和展望了基于层状二维材料的超光子学应用。
 
研究背景
超材料是具有广泛应用前景的人工材料,例如负折射、完美透镜、亚波长成像和隐身,而使用基于层状二维材料的超材料,以实现超光子特性的可能性已得到了广泛证实。二维材料具有高度的可调谐性和可调整性,易于被进行微纳加工,此外还具有天然负折射、天然各向异性、甚至天然双曲色散等多种光学特性,层状二维材料与常规超材料的结合有望实现多种应用。
 
综述简介
有鉴于此,新加坡国立大学仇成伟课题组和澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁课题组合作开展了基于层状二维材料的超光子学研究工作(见链接纳米人6月13号头条Nature),而这篇综述中,作者们阐述了超材料的概念及其相关的超光子能力是如何自然地在层状二维材料中诞生(图1)。层状二维材料多功能性使得构造新颖的光学器件成为可能,器件可在从可见光到太赫兹的宽频率范围内工作,并且具有低损耗、高速、可调性和小型化等特点。这一新的研究领域将光子学、光电子学和表面等离激元光子学领域与超材料领域联系起来,并为层状二维材料启发的超光子器件未来创新提供见解。
 
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1. 自然孕育于二维材料中的人工超光子学。
 
要点1:超材料/超表面和二维材料的交叉及相互启发历史
梦寻"迈它"千百度,蓦然回首,它亦在二维世界处。(语出仇成伟教授)。

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 图2. 超材料与二维材料的重叠及关联。

 

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图3. 超材料与二维材料互相促进发展历史。
 
要点2:激发超材料的层状二维材料光学特性
2.1 层状二维材料的天然超材料性质
2.1.1 天然的双曲材料
传统超材料需要构建结构化的异质结构形成双曲色散,而二维材料中的氮化硼、α-MoO3,以及最近报道的α-V2O5不需要微结构,其声子极化激元为不同类型的双曲色散。
 
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4. 材料的各向同性色散和双曲色散。
 
2.1.2 天然的各向异性材料
在这里主要探讨面内各向异性,由于二维材料面内非对称的晶体结构,如黑磷存在面内各项异性表面等离激元以及α-MoO3的存在的面内双曲及椭圆色散的声子极化激元。

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 图5. 黑磷的面内各项异性表面等离激元;多层石墨烯的负折射。
 
2.1.3 天然的负折射材料
从原理上来讲,任何各向异性的材料都可以支持负折射,但是由于目前的各向异性较小,因此通常无法观察到。而石墨烯表现出大的光学非线性,极低的吸收率,因此在多层石墨烯和石墨烯与氮化硼的异质节中观察到负折射现象。
 
2.2 层状二维材料的光学跃迁特性
分别从石墨烯零带隙和过渡金属硫族化合物(TMDs)时间反演对称性破缺回顾了层状二维材料中宽光谱的物质与光相互作用的基本原理。其范围从紫外范围到中红外频率范围,从线性范围到非线性范围。层状二维材料中的物质与光相互作用还具有传统超材料难以实现的轻松调控,如电调控、化学掺杂、应变、背景电介质环境和堆叠顺序等。

 

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 图6. 光与石墨烯的相互作用:带间跃迁、跃迁禁忌、非线性。
 
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图7. 单层TMDs材料中的谷激子跃迁及非线性。
 
2.3 层状二维材料中的低损耗极化激元
几十年来,等离激元光子学和超材料界一直将解决贵金属(例如金,银,铜和铝)中的传输损失作为一个重要目标。在本节中,综述重点回顾了石墨烯材料中的低损耗等离激元、层状二维极性材料中的低损耗声子极化激元以及两者的复合模式等离激元-声子杂化极化激元。最后,比较了传统等离激元金属和层状二维材料中极化激元。

1. 传统等离激元金属和层状二维材料中极化激元。

材料

极化激元

激发波长 (μm)

压缩比率

品质因子

 

寿命 (fs)

定义 


λ0

λ0/λp

qp/qp

 

τ=2qp/qpω

 or

τx=Lx/vg,

Ag a (T=10 K)

等离激元

可见光

~1

36

14

Au a

等离激元

0.486

~1

9.6

5

Cu a

等离激元

0.365

~1

11.5

 

4.5

石墨烯 (Exp., RT)

等离激元

9.7

~40

~90

934

石墨烯 (Exp., RT)

等离激元

11.2

51

~7.4

88

石墨烯(Exp., T=60 K)

等离激元

11.286

66

130

1,600  

石墨烯 (本征, T=60 K)

等离激元

11.286

66

970

12,000

石墨烯在氮化硼中

等离激元

10.688

150

25

500

石墨烯在氮化硼上

等离激元-声子

6.6889

37

16.7

260

氮化硼 b

面外双曲声子

6.410

25

18

120

氮化硼 99%

面外双曲声子

6.410

厚度依赖

~100

~8,500

α-MoO3 c

面内双曲声子

11.198

~9


~1,900

α-MoO3 d

面内椭圆声子

9.98

~10


~22,000

a在实部(ɛ=-2且周围环境为空气的情况下进行的评估;
b厚度<10 nm
c厚度为250 nm
d厚度为45 nm
 
要点3:层状二维材料启发的超光子学的实现
上一要点探讨了层状二维材料前途光明的光学特性及其与光的相互作用机理。为了进一步改善和扩展层状二维材料在超光子学中的应用,通常采用诸如:对层状二维材料进行微细加工和纳米加工、与层状二维材料、与传统超材料堆叠的策略。通过将传统超材料与层状二维材料(例如石墨烯,TMD,hBN和BP)结合使用,可以实现光学和电可调的超表面。
3.1 层状二维材料的图案化及堆叠
 
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图8. 层状二维材料光栅、极化激元晶体、开口环及异质堆叠等。
 
3.2 层状二维材料与超材料复合

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 图9. 层状二维材料与金属超材料的复合。
 
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 图10. 层状二维材料与介电超材料的复合。
 
要点4:潜在应用及进展
在应用部分,分别从两大部分展开阐述:1.围绕传统超材料应用,引入二维材料实现了超薄、多维度调控(图11-13);2.围绕传统层状二维应用,引入超材料及其设计理念提高性能(图14-16)。
 
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图11. 层状二维材料超薄平面镜头。

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 图12. 基于石墨烯的可电调隐身。
 
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13. 基于层状二维材料的完美吸收器件。
 
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14. 基于层状二维材料的光电探测器通过超表面概念得到增强。
 
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15. 多种基于层状二维材料及超材料的波导。
 
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图16 超表面增强单层TMDs材料的线性及非线性发射。
 
小结与展望
当前的超光子学研究集中在理论设计和计算上,特别是针对基于传统金属的超表面和超材料提出了许多理论,例如关于薄超材料完美吸收或双曲线超材料。最近,因为研究人员对石墨烯和相关层状二维材料的兴趣显着增加,超材料的概念已扩展到层状二维材料光学。这篇综述总结了一些代表性的层状二维超材料及其应用。一些基于层状二维材料和亚波长金属纳米结构的多层体系结构需要复杂的多步纳米加工和微纳光刻技术,这可能会影响或降低原子薄层二维材料的固有光电性能。总的来说,基于层状二维材料的超光子学理论处于主导地位,而基于这些材料的超光子结构和器件的纳米制造和实际实现却处于落后地位。而以下几个领域有望首先取得突破:
1. 用于超光子学的新二维材料。
2. 用于超光子学的新极化激元。
3. Moiré模式和“魔角”(已取得相关进展Nature 582. 2020. 209–213)。
4. 新的光学与光电子学应用
5. 生物传感器


参考文献:
(1)Dai Zhigao et al. Artificial Metaphotonics Born Naturally in Two Dimensions. Chemical Reviews, 2020.
DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00592
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00592
(2)Ma Weiliang et al. In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal. Nature, 2018, 562, 557-562.
(3)Hu Guangwei et al. Observation of topological polaritons and photonic magic angles in twisted van der Waals bi-layers. Nature, 2020, 582, 209–213.
(4)Xue Tianyu et al.  Ultrasensitive detection of miRNA with an antimonene-based surface plasmon resonance sensor. Nat. Commun., 2019, 10, 28.
(5)Wu Yingjie et al. Chemical switching of low-loss phonon polaritons in α-MoO3 by hydrogen intercalation. Nat. Commun., 2020, 11, 2646.
(6)Hu Guangwei et al. Coherent steering of nonlinear chiral valley photons with a synthetic Au–WS2 metasurface. Nat. Photon., 2019, 13, 467-472.
(7)Wang Zhuo et al. Giant photoluminescence enhancement in tungsten-diselenide–gold plasmonic hybrid structures. Nat. Commun., 2016, 7.
(8)Hu Guangwei et al. Moiré Hyperbolic Metasurfaces. Nano Lett., 2020, 20, 3217–3224.

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