表面聲子極化激元(SPhPs)是由紅外光和光學(xué)聲子之間的耦合產(chǎn)生的，被預(yù)測有助于沿極性薄膜和納米線的熱傳導(dǎo)。然而，迄今為止的實驗工作表明SPhPs的貢獻非常有限。近日，美國范德比爾特大學(xué)Deyu Li教授研究團隊通過測量沒有覆蓋Au金屬層和覆蓋了Au金屬層的3C-SiC納米線的樣品的熱導(dǎo)率，成功證實了SPhPs對其熱導(dǎo)率大小的影響。由SPhPs的預(yù)衰減所引起的熱傳導(dǎo)增加甚至超過了蘭道爾基于玻色-愛因斯坦分布所預(yù)測極限的兩個數(shù)量級。這進一步揭示了SPhPs對材料熱導(dǎo)率的顯著影響，也打開了通過SPhPs調(diào)節(jié)固體中的能量傳輸?shù)拇箝T。文章以《Remarkable heat conduction mediated by non-equilibrium phonon polaritons 》為題，發(fā)表于Nature 期刊上。
本文中，研究者通過分辨率優(yōu)于10 nm的近場光學(xué)顯微鏡對其手中的兩類納米線進行了表征。其中S1為缺陷較小的納米線，而S2則為層錯較多的納米線。通過對納米線進行865 cm?1中紅外激光的贗外差成像（SNOM），研究者成功獲得了兩類納米線的納米級相位成像。如下圖所示，在層錯較多的Sample S2中，SPhPs的傳播衰減非常迅速。而在結(jié)構(gòu)缺陷較少的S1， 這種衰減則要小得多。
Sample S1：
Sample S2：
隨后，作者通過將德國Neaspec公司的散射式近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）和納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR聯(lián)用，沿下圖圖a中的箭頭方向?qū)1采集了610 - 1400 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的光譜。這一范圍已經(jīng)包括了3C-SiC納米線全部的剩余射線譜帶。其中對TO 和 LO 頻率的較強振幅反饋和這種反饋沿箭頭方向的衰減進一步證明了SPhPs在S1中的存在。以上結(jié)果表明層錯的存在是使其成為SPhPs散射的決定性因素，而這種因素與溫度的變化并不相關(guān)，進一步證明了在S1中，SPhPs是導(dǎo)致熱導(dǎo)率變化的決定性因素。
值得注意的是，為了測量SNOM和Nano-FTIR，兩類納米線都被放置在了300 nm厚的SiO2薄膜基底上，相比單獨存在的納米線，放在SiO2薄膜基底上的兩類樣品的SPhPs的傳播距離都大大減小，而信號衰減速度大幅增加，這對設(shè)備采集信號的信噪比和光學(xué)成像的空間分辨率都提出了更高的要求。
文中使用的散射式近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）和納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR能夠在10 nm的空間分辨率下實現(xiàn)對材料的紅外光譜表征，且得到的光譜能與傳統(tǒng)FTIR，ATR-IR的紅外光譜一一對應(yīng)。同時，該技術(shù)具有無損傷、無需染色標記、快速且適用性廣等優(yōu)點，為本實驗的紅外及光學(xué)成像等研究起到了關(guān)鍵性作用。
neaspec散射式近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）及納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR
綜上所述，通過使用Neaspec近場光學(xué)顯微鏡，研究者建立并證明了SPhPs傳播和材料熱導(dǎo)率變化的關(guān)聯(lián)性。也為將來通過SPhPs調(diào)節(jié)固體材料的熱傳導(dǎo)提供了可能性。這種調(diào)節(jié)可以在很多薄膜材料中抵消尺寸效應(yīng)并改進固態(tài)器件的設(shè)計。
參考文獻：
[1]. Pan, Z., Lu, G., Li, X. et al. Remarkable heat conduction mediated by non-equilibrium phonon polaritons. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06598-0
相關(guān)產(chǎn)品:
1、超高分辨散射式近場光學(xué)顯微鏡-neaSNOM
2、neaSCOPE納米光譜與成像系統(tǒng)
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