第二类外尔半金属材料MoTe2薄膜的等离激元模式的激发、测量和调控

In recent years, we have seen a rapid progress in graphene plasmonics, motivated by the linear dispersion of the Dirac fermions in graphene. Besides of graphene, a series of materials with 3D Dirac fermion have been discovered, including 3D Dirac semimetal, Weyl semimetal, etc. However, little has been reported about the experiment study of the plasmon mode in these systems, as most of the 3D Dirac materials are bulk and have difficulty in thinning to films like graphene. Recently, the layered material MoTe2 was experimentally demonstrated to be the type-II Weyl semimetal in the low temperature Td phase, which provides an opportunity for the study of the plamonic properties in the 3D Dirac materials. Here, the research will focus on the optical study of the plasmon mode in the type-II Weyl semimetal films. Nanoribbon arrays with different size will be fabricated on the MoTe2 films with different thickness grown by CVD method. By performing the FTIR measurement and chemical doping, the dispersion and tunability of the plasmon mode in the type-II Weyl semimetal films will be studied. This research project will provide new insight in the study and application of the plasmonics in the 3D Dirac materials.

石墨烯作为探索狄拉克等离激元性质的主要材料被广泛的研究和讨论。除石墨烯之外，三维狄拉克半金属和外尔半金属等一系列材料体系被实验证实具有三维情况下的狄拉克费米子。但在这些材料中很少有等离激元相关的实验报道。其中一个重要原因是它们大部分材料属于块状材料，无法像石墨烯一样减薄到二维材料的尺度进行研究。最近，具有层状材料特性的MoTe2低温下的Td相被实验证实为第二类外尔半金属态。这为三维狄拉克费米子等离激元的研究提供了新的机遇。本项目拟利用化学气相沉积的方法制备不同厚度的、高质量的MoTe2薄膜。随后利用傅里叶变换红外光谱仪，通过在薄膜表面制作不同尺寸的带状光栅阵列对第二类外尔半金属材料MoTe2薄膜的等离激元模式进行激发和测量，并通过化学掺杂的方法对等离激元模式的频率进行调控。本项目将为今后三维狄拉克费米子材料等离激元的研究和应用提供重要的实验依据。

层状拓扑材料，可以看做三维的石墨烯，为二维等离激元研究提供了巨大机遇。申请人通过聚焦红外光谱技术，结合低温和微纳加工手段对层状外尔半金属材料（MoTe2，WTe2）的二维等离激元进行了详细的研究。尤其是通过对光谱仪的改造，实现了远红外光谱在显微模式下高信噪比测量，使得百微米量级的机械剥离薄膜样品的远红外光谱测量成为可能。申请人的主要研究成果和如下：.1, 申请人在手撕的单晶MoTe2，WTe2薄膜上观测到低温下各项异性的、具有高寿命的二维等离激元共振模式，并且发现其频率、线宽和各向异性呈现出强的温度依赖行为。另外，等离激元频率的温度依赖关系与理论预言的狄拉克费米子的行为一致。该工作是国际上首次观测到外尔半金属薄膜的二维等离激元模式，为未来拓扑材料等离激元研究提供重要基础。.2，申请人通过对WTe2等离激元的能量-动量色散、强度依赖关系和等能线等性质进行研究，证明在远红外波段（16 – 23 微米）存在双曲等离激元区间，并发现等离激元在双曲区间中高光场局域性等特点。这是首次在二维材料上观测到天然双曲等离激元模式的存在，对未来热辐射调控、自发辐射增强和可调控双曲等离激元等研究提供了重要基础。.3，申请人利用化学气相沉积的方法生长了不同厚度的（4 - 40nm）的大面积（厘米量级）WTe2薄膜，并成功测量了其中的等离激元共振模式，详细研究了其与衬底声子的耦合、频率随薄膜厚度和温度调控变化等现象.该工作为大面积、可调控WTe2等离激元研究提供了可行方案，未来在等离激元探测、成像和光场调控等方面有巨大应用前景。.4，申请人对Mo掺杂的WTe2薄膜 (MoxW1-xTe2)样品进行了红外光谱研究，发现了其中双曲等离激元区间随着掺杂浓度逐渐红移的现象。这是实验上首次实现了可调控天然双曲等离激元。另外先前实验报道掺杂样品的外尔节点相比于母体更接近费米面，因此我们的工作为外尔费米子等离激元的研究提供了更加理想的平台。