利用近场光学显微镜研究二维材料的光学特性

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石墨烯等离子体因其相当低的损耗、极高的空间局域性、非凡的可调性以及宽波段激发等特点受到了广泛的关注,在诸多领域显示出巨大的应用潜力。继石墨烯之后,二硫化钼(MoS2)是研究最多的二维层状材料,其光学性质与层数密切相关,对于光伏,光电探测器和光发射器等器件的搭建极具意义。本文采用散射式近场光学显微镜(Scattering-Type Scanning Near-Field Optical Microscope,s-SNOM)研究具有不同纳米结构的石墨烯和MoS2晶体在中红外光的激发下所具有的光学特性。研究内容如下:1.利用s-SNOM研究化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)法制备的石墨烯纳米结构的表面等离子体特性,发现纳米图案上的等离子体局域模式与激发波长和结构的尺寸密切相关,且能够在宽为25 nm的间隙中发生共振增强。此外,不同手性石墨烯边缘的测试结果表明,之字边处的等离子体会出现额外的展宽。并且,在近场光学图像中,多晶石墨烯薄膜上的晶界清晰可见,该光学表征结果是定性分析局部电荷浓度和化学成分的重要依据。2.利用s-SNOM对其他方法制备的石墨烯纳米结构的表面等离子体特性进行研究,发现金属纳米粒子裁剪的沟道越浅,宽度越小,产生的近场振幅强度就越强。此外,纳米石墨烯的等离子体特性与其尺寸和激发波长密切相关,随着尺寸的增大,等离子体共振增强由样品边缘向中心位置移动。一定尺寸的纳米石墨烯的近场振幅强度随激发光波长的增大而增大。3.利用s-SNOM对MoS2晶体进行近场光学表征,发现单层MoS2晶体的晶界在原子力显微镜的相貌图中可分辨,而在光学振幅图图中不可见。而且,相较于单层MoS2,多层MoS2的近场信号出现明显增强,意味着对光的散射性显著增强。
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