[发明专利]一种表征纳米级厚度的范德华晶体光学各向异性的方法

说明书

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。

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。