近日，beat365官方网站現代光學研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學團隊”胡小永教授、高宇南研究員和龔旗煌院士與beat365長三角光電科學研究院孫泉研究員在低損耗介質微納結構近場模式的超高時空分辨研究中取得重要進展。研究團隊利用國家重大科研儀器研制項目“飛秒-納米時空分辨光學實驗系統”支持搭建的超高時空分辨光電子顯微鏡（PEEM）實驗平台，揭示了六方氮化硼（hBN）波導近場模式的超快時空演化規律、hBN微納結構矢量渦旋場的靜态模式場分布及其光電子發射特性。該工作開辟了新型低維寬禁帶半導體微納結構近場模式研究的新方向，對于片上微納光子器件研究具有重要意義。2023年8月10日，相關成果以“利用光電子顯微鏡揭示六方氮化硼低損耗介質近場模式”（Revealing low-loss dielectric near-field modes of hexagonal boron nitride by photoemission electron microscopy）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

低損耗介質微納結構是實現片上微納光學器件的重要基礎，如何實現介質微納結構近場模式超高時空分辨探測和快速直接成像研究是人們面臨的一個挑戰。常規的近場模式探測手段包括掃描近場光學顯微鏡(SNOM)、陰極射線熒光(CL)、超快電子顯微鏡（UEM）和光電子顯微鏡(PEEM)等。其中，時間分辨PEEM（TR-PEEM）具有飛秒-納米時空分辨本領和快速直接成像（非掃描式）的優點，同時可實現光發射電子能量和動量空間的探測，對材料的損傷比電子激發的CL和UEM要小很多，因此，TR-PEEM已經被廣泛應用于金屬材料微納結構近場模式的研究，包括傳播型和局域型表面等離激元的研究（例如研究團隊前期工作：Nat. Commun. 9, 4858 (2018); RRL, 124, 163901 (2020); Nano Lett. 21, 9270–9278 (2021) ）。由于低損耗介質材料的導電性較差，在PEEM測量過程中将導緻嚴重的表面電荷積累從而破壞PEEM的成像質量，這就極大限制了TR-PEEM在低損耗介質微納結構近場模式研究中的應用。

研究團隊前期開展了較高損耗的ITO微納結構和窄帶半導體材料微納結構的近場模式的研究(Nano Lett. 20, 3747–3753 (2020), Adv. Mater. 33, 2100775 (2021))。在本次新工作中，研究團隊進一步把材料體系擴展到新型低損耗的寬帶隙半導體材料，利用機械剝離和幹法轉移技術将厚度為80nm的hBN薄片轉移到鍍有10nm的ITO導電層的玻璃襯底上，ITO導電層能避免PEEM測量過程中的樣品表面電荷積累，有利于提高PEEM成像質量。利用聚焦離子束刻蝕技術在hBN薄片上制備微納結構。研究團隊利用TR-PEEM獲得了波長400nm超短激光脈沖作用下hBN波導模式與延遲的入射激光相幹形成的近場模式的波包演化與傳輸過程（如圖1所示），發現波包的群折射率達到2.2。

圖1 hBN波導近場模式的超快時空演化。（a）TR-PPEM測得的波導模式時空演化；（b）TR-PEEM測量原理圖；（c）波包随時間延遲的演化；（d）波包中心随時間延遲的演化。

研究團隊利用聚焦離子束刻蝕技術在hBN薄片上制備阿基米德螺線結構來構建矢量渦旋場。對于波長400nm附近的正入射光，當hBN厚度小于100nm時在hBN微納結構中激發TE基模矢量渦旋場。利用PEEM實現了矢量渦旋場的超高空間分辨測量。PEEM測量其靜态模式的原理是：根據光電效應，對于400nm 附近入射光，需要吸收兩個光子克服功函數使電子逸出樣品表面，光發射電子強度PE正比于結構表面局域電場強度I的平方，因此光發射電子信号強度直接反應該處近場強度。實驗揭示了0 ~ 40階渦旋場靜态模式分布，如圖2所示，特别是對于最低階渦旋場，可實現遠超衍射極限的聚焦（60–80nm），得益于hBN材料的低損耗特性，可實現該聚焦點光發射電子信号強度10³倍至10⁴倍的增強。

圖2 渦旋場靜态近場模式超高空間分辨測量結果。

研究團隊進一步根據hBN微納結構最低階近場模式的超小近場局域、超強近場增強、超快時間響應，提出了一種新型的平面型光電子源，該光電子源是目前具有最小的工作區域的平面型光電子源。由于hBN原子級平整表面和受光子能量限制的較小光電子發射窗口，該光電子源同時具有較小的發射角和較窄的能量展寬。另外，電子脈沖空間模式分布可通過外光路進行方便的調控，該新型光電子源在超快電子顯微鏡和超快電子衍射等方面有潛在應用。

圖3 hBN最低階渦旋場模式的光電子發射響應：（a和b）實空間、（c和d）K空間、（e和f）能量分布；（g）光電子源示意圖。

此項研究将光電子顯微鏡在微納光學領域的應用拓展到低損耗介質近場模式研究，結合新型低維寬禁帶半導體材料，實現了低損耗介質微納結構近場渦旋場的靜态模式超高空間分辨觀測、平闆波導模式演化直接高時空分辨觀測、并實現了基于hBN體系的新型光電子源，開辟了基于超高時空分辨PEEM的低損耗介質微納結構近場模式研究的新方向，未來在拓撲近場模式、超表面近場研究和片上光器件檢測等方面有應用前景。

beat365官方网站博新計劃博士後李耀龍是文章的第一作者，胡小永、高宇南及孫泉為共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心和納光電子前沿科學中心等的支持。

論文原文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40603-4