一种表征纳米级厚度的范德华晶体光学各向异性的方法

摘要

本发明提供了一种表征纳米级厚度的范德华晶体光学各向异性的方法，通过使用散射型扫描近场光学显微镜(s‑SNOM)在范德华晶体中激发寻常及非寻常波导模式，并对这些波导模式进行近场成像，进而通过对近场图像的分析求得所测范德华晶体的光学各向异性。这一方法克服了传统表征手段对样品大小的限制，能够对单轴及双轴范德华晶体材料的光学各向异性进行精准的表征。

说明书

技术领域

本发明涉及范德华晶体材料性能的测量领域，特别涉及一种使用散射型扫描近场光学显微镜表征具有纳米级厚度的范德华晶体光学各向异性的方法。

背景技术

石墨烯之后，新型二维材料(如六方氮化硼，二硫化钼等)不断涌现。这些新型二维材料(范德华晶体)可通过物理剥离或化学生长方法制备。其中，由物理机械剥离方法制备的二维材料能够保持较好的晶体结构，维持良好的电学及光学性质，易于制备成高质量的功能器件。近来，学术界又提出了范德华异质结这一新的概念，通过纵向堆叠具有不同性质的二维材料来调控所制备器件的功能及性能。

无论是利用一种二维材料制备简单器件还是利用多种二维材料制备复杂异质结器件，要实现器件的优化设计都离不开对材料性能的准确把握。范德华晶体是层状结构，在层内由共价键结合，在层间由范德华力结合。由于共价键的作用远远强于范德华力的作用，范德华晶体表现出较强的各向异性(力学，电学及光学性质)。要设计制备基于范德华晶体的光电器件，材料的光学各向异性必须得到准确地表征。传统的材料光学各向异性表征方法主要有端面反射法及椭圆偏振光谱法，然而这两种方法都不适合范德华晶体光学各向异性的表征，因为它们都要求样品至少具有50微米级的尺寸，而我们通常机械剥离所得的范德华晶体尺寸一般在几个微米量级。

因此，需要一种能够有效地表征纳米级厚度的范德华晶体的光学各向异性的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种表征纳米级厚度的范德华晶体光学各向异性的方法，步骤如下：

步骤一：将被测样品置于SiO₂/Si基底上，使被测样品的一条直边平行于散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖的悬臂梁；

步骤二：使s-SNOM针尖沿垂直于散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖的悬臂梁的方向扫描样品，依次扫描四个具有不同厚度的样品，得到近场图像；

步骤三：对步骤二得到的近场图像分别进行傅里叶变换，求得对应于不同厚度样品的动量空间谱图，由图中读取寻常(TE偏振)及非寻常(TM偏振)波导模式的表观波矢值K_TE及K_TM；

步骤四：根据公式(1)β_o,e＝k_TE,TM-k₀cosαsinβ以及步骤三所得的表观波矢求得各个波导模式的真实波矢βο及βe，其中，βο为寻常波导模式的真实波矢，βe为非寻常波导模式的真实波矢，α为入射波矢K₀与样品平面的夹角，β为K₀在样品平面的投影K_xy与针尖悬臂梁之间的夹角；

步骤五：将步骤四求得的对应各个厚度的样品的真实波矢βο及βe分别带入寻常波导模式的公式(2)和非寻常波导模式公式(3)，通过数值解出被测范德华晶体的面内介电常数ε_⊥及面外介电常数ε_∥，由此被测范德华晶体的光学各向异性由其介电张量表示，介电张量由公式(4)表示；

其中，k₀＝2π/λ，k₀表示真空波矢，ε₁及ε₂分别是空气和待测样品的介电常数，d为样品厚度，m、n分别为寻常波导模式和非寻常波导模式的阶数。

优选地，所述被测样品为单轴及双轴范德华晶体，其横向尺寸≤100微米。

优选地，所述被测样品为单轴及双轴范德华晶体，其纵向厚度≤1微米。

优选地，所述被测样品可为MoS₂和BN纳米片，其中MoS₂和BN都是单轴范德华晶体。

本发明通过使用散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)在范德华晶体中激发寻常及非寻常波导模式，并对这些波导模式进行近场成像，进而通过对近场图像的分析求得所测范德华晶体的光学各向异性。这一方法克服了传统表征手段对样品大小的限制，能够对单轴及双轴范德华晶体材料的光学各向异性进行精准的表征。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出了本发明中测量实验设置的结构示意图。

图2示出了使用所述s-SNOM扫描4个具有不用厚度的样品得到的近场图像。

图3示出了对图2所示的近场图像分别进行傅里叶变换求得的对应于不同厚度样品的动量空间谱图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

实施例1

以范德华晶体MoS₂纳米片为例，使用本发明所述的方法对其光学各向异性进行精确表征。

参见图1-图3，本发明提供一种表征纳米级厚度的范德华晶体光学各向异性的方法，步骤如下：

图1为本发明中测量实验设置的结构示意图。如图1所示，以散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖的悬臂梁作为参考物，其中k₀表示真空波矢，k_xy为k₀在被测样品平面上的投影，α为k_xy与k₀的夹角，且α＝38°，k_xy和被测样品边缘的夹角为β＝60°；当λ＝1530nm且光斑直径为3μm时，近红外激光照射在s-SNOM针尖以激发MoS₂纳米片中寻常及非寻常波导模式，这些模式在MoS₂纳米片中以柱面波形式传播并在样品边界处被散射进入光电探测器。因此，s-SNOM采集的图像主要是由针尖尖端和样品边缘散射光干涉形成的条纹。

参见图1，在步骤一中：将待测样品MoS₂纳米片置于SiO₂/Si基底上，使MoS₂纳米片的一条直边平行于散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖的悬臂梁，即沿着图1中的OY方向；

参见图1、图2，在步骤二中：使s-SNOM针尖沿着垂直于s-SNOM针尖的悬臂梁的方向(即如图1中的沿OX方向)扫描MoS₂纳米片，依次扫描四个具有不同厚度的MoS₂纳米片，得到近场图像；

图2为使用所述s-SNOM扫描4个具有不用厚度的MoS₂纳米片得到的近场图像。其中，测量的MoS₂纳米片的厚度分别为81nm、103nm、170nm、198nm。

步骤三：对步骤二得到的近场图像分别进行傅里叶变换，求得对应于不同厚度样品的动量空间谱图。由所述动量空间谱图中读取寻常(TE)及非寻常(TM)波导模式的表观波矢值K_TE及K_TM；

图3为对步骤二所示的近场图像分别进行傅里叶变换求得的对应于不同厚度MoS₂纳米片的动量空间谱图，MoS₂纳米片的厚度分别为81nm、103nm、170nm、198nm，从图3中读取的寻常(TE)波导模式以及非寻常(TM)波导模式的表观波矢值K_TE、K_TM。非常薄的MoS₂纳米片只能支持一个波导模式，即基模，相对厚一点的MoS₂纳米片可以观察到两种不同的模式。

步骤四：根据公式(1)β_o,e＝k_TE,TM-k₀cosαsinβ以及步骤三所得的表观波矢求得各个波导模式的真实波矢βο及βe，其中，βο为寻常波导模式的真实波矢，βe为非寻常波导模式的真实波矢；

步骤五：将步骤四求得的对应各个厚度的样品的真实波矢βο及βe分别带入寻常波导模式的公式(2)和非寻常波导模式公式(3)，通过数值解出被测范德华晶体的面内介电常数ε_⊥及面外介电常数ε_∥，由此被测范德华晶体的光学各向异性可由其介电张量表示，介电张量由公式(4)表示；

其中公式(2)如下：

其中，公式(3)如下：

根据公式(2)(3)两个超越方程，寻常波导模式为横电场(TE)偏振，其面内波矢仅和面内的MoS₂的相对介电常数有关；非寻常波导模式为横磁场(TM)偏振，其面内波矢和面内及面外的相对介电常数有关。因此，一旦至少两种不同厚度的MoS₂纳米片的寻常波导模式和非寻常波导模式的面内波矢被确定，面内面外的相对介电常数可由公式(2)和(3)得出。

其中，由于MoS₂是单轴范德华晶体，其光轴垂直于样品平面，其相对介电张量可以写为：

其中，k₀＝2π/λ，k₀表示真空波矢，ε₁及ε₂分别是空气和SiO₂的介电常数，d为MoS₂纳米片的厚度，m、n分别为寻常波导模式和非寻常波导模式的阶数；ε_⊥是面内相对介电常数(垂直于光轴)，是面外相对介电常数(平行于光轴)。综上，单轴范德华晶体MoS₂的相对介电张量即可计算出，利用该相对介电张量即可精确表征出范德华晶体MoS₂的光学各向异性。

由图可知：d₁＝81nm,β_o1＝2.735k₀；d₂＝103nm,β_o2＝3.06k₀)，带入公式(2)可得知：ε_⊥＝20.25，m＝0；

同理，d₃＝170nm,β_e1＝1.733k₀；d₄＝198nm,β_e2＝2.007k₀，带入公式(3)可得知：n＝0；

综上可知：在光通信波长1530nm处，范德华晶体MoS₂的相对介电张量可以定量地确定为：

本发明通过使用散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)在范德华晶体中激发寻常及非寻常波导模式，并对这些波导模式进行近场成像，进而通过对近场图像的分析求得所测范德华晶体的光学各向异性。这一方法克服了传统表征手段对样品大小的限制，能够对单轴及双轴范德华晶体材料的光学各向异性进行准确的表征，进而可利用该范德华晶体设计制备基于范德华晶体的光电器件。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。