论文信息：

Flávio H. Feres, Francisco C. B. Maia, Shu Chen, Rafael A. Mayer, Maximillian Obst, Osama Hatem, Lukas Wehmeier, Tobias Nörenberg, Matheus S. Queiroz, Victor Mazzotti, J. Michael Klopf, Susanne C. Kehr, Lukas M. Eng, Alisson R. Cadore, Rainer Hillenbrand, Raul O. Freitas, Ingrid D. Barcelos.Two-dimensional talc as a natural hyperbolic material, arXiv:2501.17340

论文链接：

https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.17340

研究背景

纳米尺度的光-物质相互作用产生了许多基本现象，极化子，即由光与集体振荡的相干耦合形成的准粒子，是这些效应的核心。极化激元在光电子学、高分辨率成像和化学传感中具有巨大的应用潜力。在不同类型的极化激元中，双曲线声子极化激元(HPhPs)是特别引人注目的一类。这些准粒子来自光与各向异性极性材料中晶格振动的耦合，能够将光限制在亚波长体积内，此外，还能够在空间上控制和引导HPhP传播。在这方面，极性二维材料(2DMs)展示了托管这种高质量HPhPs的巨大潜力，它们的激发通常发生在由材料的光学声子特性驱动的红外波长。值得注意的是，这些声子共振依赖于2DM晶体排列、化学键类型以及成分的原子质量，几乎不受外部刺激的控制。

探索能够在从MIR到THz波长的宽激发范围内维持HPhPs的新型平台和材料非常有趣。旋光晶体通常是在严格控制的环境中通过复杂的化学途径合成产生的，有些合成需要在全球少数化学实验室中可用的专用仪器。在这种情况下，2D天然页硅酸盐已经成为一种有前途的原子级扁平层状绝缘体。它们是自然界中大量存在的vdW材料，与人工合成的极化晶体相比，更容易获得。通过传统机械剥离获得的几层2D晶体提供了大的电子带隙，这是光电和传感应用所需要的。此外，层状硅酸盐晶体具有从远到中红外波长的强红外活性，因此是声子-极化子工程的天然平台。

在这项工作中，我们证明了天然丰富的“滑石”2D晶体，属于页硅酸盐类，具有在MIR范围内的圆形波前的HPhP模式。通过在滑石中对这些HPhP模式进行实空间纳米成像，我们揭示了作为2DM厚度的函数的强可调谐性，滑石已经安装在各种衬底上。此外，滑石表面近场分布的数值模拟证实了我们的实验结果，增加了我们的综合分析。因此，滑石在MIR到远红外(FIR)波长范围内构成了低成本丰富的天然2D极化平台。

研究内容

滑石，也称为皂石，是一种丰富的天然层状硅酸镁矿物，化学式为Mg3Si4O10(OH)2。图1a显示了从巴西欧罗普雷托的皂石矿提取的滑石样品的照片。它的白绿色表明杂质含量减少。图1b显示了通过标准透明胶带剥离方法获得的层状滑石薄片，然后沉积在未掺杂的硅基底上。剥离产生了具有不同横向尺寸和厚度的2D薄片，正如各种颜色和对比度的薄片所证明的那样，如图1b中的光学图像所示。滑石具有三斜晶系晶格，通过vdW力将二价中心Mg原子的八面体(Oc)层在顶点处与氧化硅的四面体(T)层以T - Oc- T堆叠插入而形成(图1c)。它的复杂结构揭示了MIR47中丰富的具有旋光性的振动模式。MIR机制中的振动特征对应于面内和面外Si-O拉伸模式。

图1，晶体和光学性质。

为了研究安装在金(Au)、硅(Si)和氟化钙(CaF2)基底上的滑石的HPhPs，我们使用SINS49进行了宽带光谱分析，并使用s-SNOM54进行了单色成像。s-SNOM和SINS是探测近场区如此高的面内动量极化激元(~ 105cm-1)的成熟工具。重要的是，近场尖端支持高磁矩，因为~ 1⁄= 3×105cm-1，这与2Ds中的典型值兼容。因此，s-SNOM尖端可以通过动量守恒来激发和探测HPhP模式(图2a)。由于滑石的面内各向同性，具有明确定义的波长 = 2⁄的激发HPhP模式通过具有圆形形状的滑石样品传播。偏振波被薄片边缘反射并传播回AFM尖端。反向散射到2D样品中，最后从AFM针尖散射到检测器中。由于样品边缘的反射，HPhP模式以⁄2的空间周期出现。

图2 ，金表面滑石晶体的Syncrotron红外纳米光谱。

为了研究 - 厚度依赖性()，我们使用QCL源和PsHet检测进行了s-SNOM窄带实空间成像。图3a和3b显示了在977 cm-1照射下不同厚度(分别为193 nm和58 nm)的CaF2上滑石的成像。这些图像揭示了晶体边缘附近的特征HPhP驻波图案，如分别从图3a和3b中提取的P1和P2轮廓所示。为了更全面地评估滑石HPhPs与厚度的关系，我们通过改变照明频率来测量不同的晶体，并绘制色散图(图3e和3f)。

图3，氟化钙基质上滑石薄片的真实空间窄带纳米成像。

给定观察到的's值，一个有希望的应用是产生滑石晶体的偏振法布里-珀罗(FP)微米和纳米腔。图4中展示了一个例子，其中金衬底上163 nm厚的三角形滑石的一组窄带s-SNOM图像揭示了HPhP腔模式。图4a显示了AFM形貌，虚线表示模式上升的恒定厚度的晶体区域。如所评论的，薄片的平坦区域形成具有可变宽度()的三角形空腔，其中FP空腔极化激元模式由多次反射产生，如图4b-d所示，来自在970 cm-1、975 cm-1和978 cm-1处的成像。随着腔宽的增加，970 cm-1处的驻波图案显示出不同数量的最大值。此外，由于波矢p对频率的依赖性，可以观察到其他频率的驻波图案的变化。

图4，滑石中空腔模式的成像。

结论与展望

我们介绍了二维滑石晶体作为在中红外波长产生双曲声子极化子(HPhPs)的一个新颖和有前途的平台。使用散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)和同步加速器红外纳米光谱(SINS)，我们证实了在滑石晶体中存在具有圆形波前的I型和II型HPhP模式。值得注意的是，与公认的极化材料相比，与类型II模式相比，类型I模式表现出较低的损耗，具有显著的寿命( ~ 2 ps)和高限制因子( ~ 13)。我们的实验数据与理论预测紧密一致，揭示了HPhP行为在不同基底和滑石样品厚度上的可调性。滑石的突出特征之一是，不同于合成设计的极化晶体，其天然丰度和低成本，从而为大规模应用提供了实用和可持续的平台。这种可负担性和易获得性使滑石成为声子-极化激元领域的主要竞争者，而无需复杂的制造工艺。

此外，我们还确定了面内偏振应用的最佳滑石厚度范围约50–200nm，适用于使用金属和电介质基底。HPhP模式实现了 ~ 5的最大品质因数，允许直接观察晶体边缘附近的驻波图案，这使得能够形成选定几何形状的法布里-珀罗腔模式。特别是，我们观察到沿三角形滑石晶体边缘的法布里-珀罗模式，类似于石墨烯单层和hBN层状晶体的报道。此外，当使用FEL/s-SNOM设置时，我们还在远红外(FIR)激发范围内发现了HPhP模式的证据，尽管值较低。这些发现将滑石定位为极化应用的超宽带平台，与α-MoO₃晶体相比，极大地扩展了其能力和用途。滑石天然丰富、低成本的特性与其可调谐的极化性质相结合，为MIR-to-THz光子学和光电子学中的基础研究和实际、可扩展应用开辟了新的途径。