Science：納米結構的3D矢量成像來了！

表面聲子極化子（SPhPs）是耦合的光子-聲子激發，出現在納米結構材料的表面，對納米材料的光學和熱行為有很大影響，但尚無技術能夠揭示其電磁態的完整三維矢量圖像。Mathieu Kociak等人在掃描透射電子顯微鏡中使用高度單色的電子束，用本征模來描述SPhPs的響應的，并將SPhP信號作為束位置、能量損失和傾斜角的函數，對斷層物體的聲子表面電磁場進行層析成像，將納米MgO立方體不斷變化的SPhP信號可視化，得到其三維矢量圖像。這一成果在3月26日發表在Science上，題為：Three-dimensional vectorial imaging of surface phonon polaritons（表面聲子極化子的三維矢量成像）。

我們熟知的掃描透射電子顯微鏡（STEM）中的電子能量損失譜（EELS）使測量納米原子級的聲子光譜成為可能。但是，這些技術僅允許二維成像，無法提供定向場信息。此類3D信息有望洞悉納米級物理現象，并且對于設計和優化新用途的納米結構具有不可估量的價值。

圖1. （A）SPhP層析成像裝置示意圖（MC，單色儀）；（B）在兩個不同的傾斜角度下獲取的MgO立方體的高角度環形暗場（HAADF）圖像；（C）在B圖所示位置獲取的兩個不同傾斜角的選定光譜（實驗模式II和III）。

圖1A是實驗裝置示意圖。能量寬度約為350 meV的60 keV電子束被單色儀濾光，以獲得約7到10 meV的最終能量擴散。該單色儀在≈1nm²的樣品區域中以幾皮安的光束電流有效地優化了單色后剩下的電流。圖1所示的納米物體是MgO立方體，其邊緣長度為191 nm，沉積在20 nm厚的氮化硅（Si₃N₄）襯底上。通過掃描電子束，可以收集揭示立方體形態的高角度環形暗場（HAADF）圖像。樣品傾斜角度α可以使立方體在不同方向上成像（圖1B）。在掃描的每個位置記錄其EELS光譜。完整的EELS譜圖由零損耗峰（ZLP），去掉了強尾（圖1C）和大約110 meV的弱Si₃N₄聲子組成，其左尾可以在圖1C中看到。在MgO的遠紅外中，對于電子束的兩個不同位置，在兩個不同的傾斜角處提取了清晰的光譜響應（圖1C）。由于光譜特征的確隨電子束位置和傾斜角的變化而變化，因此已證明所用裝置的選定光譜，空間和傾斜分辨率足以直接分辨出表征主要模式的信號。

圖2. 不同傾斜角度的2D聲子成像：（A）兩種傾斜配置（0和400 mrad）的主要實驗SPhP模式（I，II和III）的（左）實驗HAADF圖像和（右）擬合圖，與基材接觸的面以藍色正方形突出顯示；（B）在真空中模擬立方體，順序與A相同

為了解實驗模式（I）（II）和78 meV（III）處主要光譜特征的物理起源，研究者系統地記錄了不同傾斜角度下的EELS光譜圖像。圖2A中給出了針對兩個不同傾斜角度的實驗模式I，II和III的強度圖，這些圖是通過對SI的每個實驗模式使用擬合例程生成的，這些實驗已預先從ZLP中反卷積，并將所得強度寫入擬合的圖像像素中。

圖3. 3D完全矢量重建聲子電磁局部密度態：（A）從實驗數據中提取的非負矩陣分解（NMF）成分；（B）在圖2中所示的兩個角度處的三個分量的重構NMF圖；（C）從頂部看到的EMLDOS的3D重構（未顯示的基板在立方體的底部）。EMLDOS沿三個正交方向的極化顯示為針，其中顏色和長度指示其強度。

為了進行重建，研究者使用了12個光譜圖像（12個傾斜角度），其中包含400 x 400光譜。盡管有大量數據，但信噪比仍不足以直接進行重建。在進行3D非矢量表面等離振子重構的先驅工作之后，使用非負矩陣分解（NMF）進行數據處理，得到了圖3A中所示的模型信號。NMF譜圖由幾個峰組成，最突出的峰對應于圖1中指出的I，II和III實驗模式，這可以使每個實驗模式與NMF分量完全相關。NMF分量I在90 meV附近出現一個額外的峰，這是NMF分解不完全的表現。圖3B中顯示的對應圖再現了已經在原始數據上觀察到的空間變化。通過簡單的擬合很難看到實驗模式II（圖2A），但是通過NMF程序，現在可以清楚地解開它了。

這是首次對SPhP EMLDOS可視化的原理證明，應該激勵研究人員對SPhP完整光學響應進行更系統的重建。這種成像技術應該擴展到電磁密度的3D和矢量信息很重要的各個領域，包括各向異性材料，例如石墨烯類似物和過渡金屬二鹵化物等。此外，高度單色化的EELS在生物系統振動成像中有巨大的應用潛力。但是，眾所周知，為此必須使用3D信息。因此，本方法應適用于低溫顯微鏡檢查，例如，可以在三個方面將超微結構表征與蛋白質振動標記相結合。

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1364.full

本文由春春撰稿。