表面聲子極化激元(SPhPs)是由紅外光和光學聲子之間的耦合產生的，被預測有助于沿極性薄膜和納米線的熱傳導。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率，成功證實了SPhPs對其熱導率大小的影響。由SPhPs的預衰減所引起的熱傳導增加甚至超過了蘭道爾基于玻色-愛因斯坦分布所預測極限的兩個數量級。這進一步揭示了SPhPs對材料熱導率的顯著影響，也打開了通過SPhPs調節固體中的能量傳輸的大門。文章以《Remarkable heat conduction mediated by non-equilibrium phonon polaritons 》為題，發表于Nature 期刊上。
本文中，研究者通過分辨率優于10 nm的近場光學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。而在結構缺陷較少的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顯微鏡（s-SNOM）和納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR聯用，沿下圖圖a中的箭頭方向對S1采集了610 - 1400 cm-1波數范圍內的光譜。這一范圍已經包括了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，進一步證明了在S1中，SPhPs是導致熱導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，這對設備采集信號的信噪比和光學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對材料的紅外光譜表征，且得到的光譜能與傳統FTIR，ATR-IR的紅外光譜一一對應。同時，該技術具有無損傷、無需染色標記、快速且適用性廣等優點，為本實驗的紅外及光學成像等研究起到了關鍵性作用。
neaspec散射式近場光學顯微鏡（s-SNOM）及納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR
綜上所述，通過使用Neaspec近場光學顯微鏡，研究者建立并證明了SPhPs傳播和材料熱導率變化的關聯性。也為將來通過SPhPs調節固體材料的熱傳導提供了可能性。這種調節可以在很多薄膜材料中抵消尺寸效應并改進固態器件的設計。
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
相關產品:
1、超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM
2、neaSCOPE納米光譜與成像系統
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