發(fā)布時(shí)間：2020-08-18 15:19

【摘要】：由于晶格具有較低的對(duì)稱性,黑磷、二硫化錸、二碲化鉬等層狀二維材料具有面內(nèi)各向異性的性質(zhì)。這類二維材料的面內(nèi)各向異性提供了額外的自由度來(lái)調(diào)控其理化性能,為制備多功能納米器件提供了新的可能。金屬納米材料在光的照射下將產(chǎn)生表面等離極化激元(Surface plasmon polaritons,SPP),在納米尺度展現(xiàn)出優(yōu)異的光場(chǎng)調(diào)控和光電輸運(yùn)控制能力。二維金屬納米材料由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的破缺,其上的SPP激發(fā)具有各向異性,這使得二維金屬納米材料在光學(xué)開(kāi)關(guān)、偏振控制、等離激元傳感和光學(xué)信息處理等微納器件領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。本論文利用掃描偏振調(diào)制顯微鏡(Scanning Polarization Modulation Microscopy,SPMM)研究了層狀二維材料在微米尺度的光學(xué)各向異性以及單個(gè)微米大小的二維金納米三角板SPP激發(fā)的各向異性。首先,提出并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)二維材料的高頻偏振調(diào)制顯微成像技術(shù)——掃描偏振調(diào)制顯微成像技術(shù)。從偏振成像技術(shù)原理出發(fā),闡述偏振調(diào)制顯微成像技術(shù)的基本理論及關(guān)鍵點(diǎn),推導(dǎo)出SPMM可以直接給出二維材料的差分反射率或差分透射率,為偏振調(diào)制顯微成像系統(tǒng)在二維材料的定量化研究奠定理論基礎(chǔ)。隨后,使用SPMM測(cè)定了薄層黑磷、ReS_2和1T′-MoTe_2的晶軸。實(shí)驗(yàn)表明各向異性二維材料的SPMM信號(hào)隨著入射光偏振角的變化以正弦方式周期性變化,當(dāng)晶軸方向與入射光偏振方向夾角為45°時(shí)SPMM信號(hào)達(dá)到最大,基于此實(shí)現(xiàn)了使用SPMM測(cè)量的晶軸取向,其結(jié)果與角度分辨偏振拉曼光譜測(cè)得的結(jié)果一致,說(shuō)明SPMM方法是一種精確可靠的新方法。發(fā)現(xiàn)SPMM測(cè)出的差分反射率信號(hào)的正負(fù)取決于樣品厚度,而差分透射率信號(hào)的正負(fù)不隨樣品厚度改變,所以使用透射式的SPMM測(cè)定晶軸方向時(shí)可以不考慮樣品厚度。通過(guò)分析SPMM信號(hào)的理論表達(dá)式發(fā)現(xiàn)只需要在兩個(gè)偏振方向上測(cè)量透射式SPMM信號(hào)就能給出晶軸方向,可以將整個(gè)測(cè)量時(shí)間降至數(shù)秒鐘,因此SPMM可以開(kāi)發(fā)成為用于在線檢測(cè)各向異性二維材料晶軸方向的工具。此外,利用搭建的SPMM研究了在玻璃基底上的薄層黑磷、ReS_2和1T′-MoTe_2的光學(xué)各向異性。利用SPMM對(duì)大小為數(shù)十微米的薄層黑磷、ReS_2和1T′-MoTe_2進(jìn)行了差分反射率和差分透射率成像,這些圖像具有較高的信噪比和對(duì)比度,實(shí)現(xiàn)了微米尺度層狀二維材料的光學(xué)各向異性的可視化。對(duì)比400nm、532nm、800nm和1064nm波長(zhǎng)下不同厚度的薄層黑磷、ReS_2和1T′-MoTe_2的差分反射率像和差分透射率像,發(fā)現(xiàn)差分反射率和差分透射率是厚度和波長(zhǎng)依賴的,這種厚度和波長(zhǎng)依賴現(xiàn)象可以利用多層介質(zhì)中多次反射效應(yīng)給出很好的解釋。利用不同波長(zhǎng)和不同厚度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)上給出了波長(zhǎng)為400nm、532nm、800nm和1064nm時(shí)黑磷不同晶軸的復(fù)折射率以及波長(zhǎng)為532nm時(shí)ReS_2和1T′-MoTe_2不同晶軸的復(fù)折射率。此外,還利用SPMM定量研究了褶皺對(duì)各向異性二維材料的光學(xué)各向異性的影響,發(fā)現(xiàn)褶皺的凸起會(huì)降低光學(xué)各向異性,而褶皺的凹陷會(huì)增加光學(xué)各向異性。最后,利用SPMM研究了的單個(gè)微米大小的二維金納米三角板SPP激發(fā)的各向異性。金納米板的SPMM信號(hào)代表了水平偏振的激發(fā)光激發(fā)的SPP強(qiáng)度與豎直偏振的激發(fā)光激發(fā)的SPP強(qiáng)度之差,因此SPMM圖像能直接反映出納米粒子不同位置SPP激發(fā)的各向異性。利用透射式的SPMM對(duì)單個(gè)金納米三角板進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)掃描成像,結(jié)果顯示金納米三角板中間部分基本沒(méi)有信號(hào),中部激發(fā)的SPP是偏振無(wú)關(guān)的,這是因?yàn)榻鸺{米三角板的中部的結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱的。金納米三角板的邊緣上的SPMM信號(hào)隨著激發(fā)光的偏振角度的變化而周期的變化,而且三條邊的變化規(guī)律基本一樣,但彼此相差約60°,這是由于在三角板邊緣上納米結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的破壞�；贔DTD的數(shù)值模擬復(fù)現(xiàn)了SPMM實(shí)驗(yàn)掃描圖像,并且得出金納米三角板的SPP的平面模和邊角模都是偏振依賴的,但偏振依賴特性正好相反。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB34
【圖文】：

后者體現(xiàn)在介電常數(shù)(折射率)的虛部中。因此，各向異性材料的介電常數(shù)張量。所以，光與各向異性材料相互作用會(huì)有各向異性的線性和非線性光通過(guò)對(duì)這些各向異性的線性和非線性光學(xué)現(xiàn)象的研究可以深入了解材料向異性。對(duì)各向異性二維材料而言，準(zhǔn)確確定晶體取向在研究和應(yīng)用中尤。因此，目前關(guān)于二維材料的光學(xué)各向異性的多數(shù)研究都集中在如何簡(jiǎn)單別各向異性二維材料晶體取向。在眾多光學(xué)方法中，最簡(jiǎn)單的方法是直接測(cè)量偏振依賴的反射(透射)信號(hào)相對(duì)其他方向，各向異性二維材料在晶軸方向上具有最強(qiáng)或者最弱的吸收過(guò)測(cè)量偏振依賴的反射(透射)信號(hào)可以獲得二維材料晶軸的取向。圖 1 1微偏振成像示意圖以及 BP 的偏振光學(xué)顯微圖[31]�？梢钥闯�，BP 隨著偏明顯的明暗周期變化規(guī)律。另一種較為精確的配置是只收集與入射光偏向上的反射光[32]。研究表明，二維材料對(duì)不同波長(zhǎng)光的對(duì)吸收規(guī)律不同[31使用寬頻光源會(huì)使得圖像模糊。這種模糊還會(huì)由于所使用的偏振器的消較差而加劇。所以更精確的方法是用單色光代替白光作為激發(fā)光源。然而維材料非常薄，吸收信號(hào)的差異通常很弱，這種通過(guò)分別測(cè)量不同方向的究各向異性的方法的誤差較大。

圖1 2 角度分辨偏振拉曼裝置示意圖[33]Fig. 1 2 Schematic diagram of angle resolved polarized Raman[33]

- 4 -圖1 3 利用 ARPRS識(shí)別 BP晶軸方向[28]Fig. 1 3 Identify crystalline orientation of BP by using ARPRS[28]指激發(fā)光的偏振與收集的拉曼散射光的偏振相互平行的配置；垂直光的偏振與收集的拉曼散射光的偏振相互垂直的配置。實(shí)驗(yàn)表明各料的部分晶格振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的拉曼峰的強(qiáng)度與偏振有一定的關(guān)系[2, 1]。通常當(dāng)激發(fā)光偏振與晶格取向一致時(shí)，拉曼特征峰會(huì)達(dá)到極值。RPRS 可以確定二維材料晶軸的取向。圖 1 3 是不同厚度以及不同激平行配置的 ARPRS 光譜極坐標(biāo)圖�？梢钥闯觯珹RPRS 隨著偏振角度

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本文編號(hào)：2796386