Фонон-поляритонные эффекты в периодически структурированных двуосных ван-дер-ваальсовых кристаллах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Матвеева Ольга Геннадьевна

• Матвеева Ольга Геннадьевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Матвеева Ольга Геннадьевна

Оглавление

Список сокращений

Введение

1. Физические основания

Исторический обзор

1. 1 Фонон-поляритоны

1.2 Ближнепольная оптика

1.3 Ван-дер-ваальсовы материалы

1.4 Характеристики кристалла MoO3

2. Методы

2.1 Теоретические методы исследования

2.1.1 Полноволновое моделирование

2.1.2 Аналитические расчеты

2.2 Экспериментальные методы исследования

2.2.1 Инфракрасная микроскопия с преобразованием Фурье

2.2.2 Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля рассеивающего типа

3. Поляритонные нанорезонаторы

3.1 Введение

3.2 Метод диэлектрической инженерии в изготовлении нанорезонаторов

3.3 Определение резонансов в спектре в дальнем поле

3.3.1 Гиперболический режим распространения поляритонов

3.3.2 Эллиптический режим распространения поляритонов

3.4 Изображение резонансов в ближнем поле

3.5 Экспериментальная реконструкция дисперсионных поверхностей

3.5.1 Гиперболический режим распространения поляритонов

3.5.2 Эллиптический режим распространения поляритонов

3.6 Оценка добротности нанорезонаторов

3.7 Выводы

4. Направленная сильная связь фонон-поляритонов и молекулярных колебаний

4.1 Введение

4.2 Ближнепольная визуализация гибридных волн

4.3 Аналитическое и экспериментальное измерение величины сильной связи

4.4 Зависимость величины сильной связи от направления распространения поляритонов

4.5 Выводы

5. Поляритонные кристаллы

5.1 Введение

5.2 Концепция и основной подход

5.3 Одномерная решетка

5.4 Двумерная решетка

5.5 Массив отверстий

5.6 Выводы

Заключение

Список литературы

Список сокращений

ФП - фонон-поляритон

р-СБОМ - сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия рассеивающего типа

РП - рестстраленовская полоса

TO - поперечный оптический фонон

LO - продольный оптический фонон

1111 - плазмон-поляритон

СТМ - сканирующая туннельная микроскопия

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ИЧК - изочастотная кривая

ИК-Фурье - инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

УЧП - уравнение в частных производных

МКЭ - метод конечных элементов

TM - поперечная магнитная волна

TE - поперечная электрическая волна

ИК - инфракрасный диапазон спектра

ФПР - резонанс Фабри-Перо

ПК - поляритонный кристалл

МО - массива отверстий

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фонон-поляритонные эффекты в периодически структурированных двуосных ван-дер-ваальсовых кристаллах»

Введение

Актуальность работы. Сжатие света до наномасштаба дает возможность не только создавать более компактные квантово-электронные устройства взамен существующим, но и получать фундаментальные эффекты, такие как усиление связи колебаний световой волны с специфическими осцилляциями различных веществ, такими как фононы, плазмоны, экситоны и другие1. Исследование таких процессов возможно благодаря новейшим методам визуализации поверхностных волн в ближнем поле. Путем формирования изображения при помощи интерференции эванесцентных волн, возможно определять дисперсионные свойства материалов благодаря разрешению сигнала на размерах, меньших длины поверхностной волны2.

Значительного сжатия света в среде удалось добиться в ван-дер-ваальсовых материалах - кристаллах, состоящих из атомарно-тонких слоев, связанных слабыми по сравнению, например, с ковалентной связью, силами Ван-дер-Ваальса. Кроме того, что такие кристаллы обладают диэлектрической анизотропией в нормальной по отношению к слоям плоскости, их структура позволяет получать тонкие слои материала путем отщепления, а также комбинировать слои различных материалов, получая принципиально новые свойства.

Фонон-поляритоны, возникающие в полностью анизотропном полярном кристалле МоО3, при облучении его лазером в среднем инфракрасном диапазоне, возбуждаются в частотных областях так называемых остаточных лучей3, где они имеют различные дисперсионные законы в зависимости от знаков компонент диэлектрического тензора - гиперболический или эллиптический4. Благодаря этому, возможно управлять направлением распространения фонон-поляритонов, что находит приложение в приборах направленной чувствительности к органическим молекулам5' 6, появляющейся

вследствие явления сильной связи фонон-поляритонов и молекулярных колебаний7.

Кроме того, фонон-поляритоны в МоО3 имеют большое время жизни (1.9 - 8 пс)4, что позволяет создавать на основе этого кристалла резонансные структуры, применимые для фотодетектирования в среднем инфракрасном диапазоне.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является изучение свойств фонон-поляритонов в периодических структурах на основе двуосного ван-дер-ваальсова кристалла МоО3 и возможностей практического применения этих свойств в высокодобротных резонаторах, приборах молекулярной чувствительности и поляритонных кристаллах.

Научная новизна работы. Впервые предложен метод частотной подстройки фонон-поляритонов методом вращения кристалла относительно периодически структурированной подложки. На основе этого метода созданы высокодобротные резонаторы.

Разработан принципиально новый подход к созданию приборов молекулярной чувствительности на основе анизотропного кристалла, при данном подходе сигнал в определенных направлениях будет усилен в зависимости от количества детектируемого вещества.

Впервые проведены аналитические расчеты и моделирование поляритонных кристаллов на основе анизотропного материала, предсказано появление топологических поляритонов, характеристики которых будут определяться углом поворота осей поляритонного кристалла относительно главных осей материала, на основе которого он изготовлен.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Метод неповреждающего наноструктурирования тонкой пластины ван-

дер-ваальсова материала триоксида молибдена путем размещения поверх

6

металлической решетки позволяет создавать высокодобротные ^ до 200) фонон-поляритонных линейные резонаторы, настраиваемых в частотном диапазоне 32 см-1 посредством поворота периодически структурированной металлической подложки относительно основных осей кристалла, а также реконструировать дисперсионные фонон-поляритонные поверхности анизотропных ван-дер-ваальсовых материалов при помощи полученных резонаторов

• Направленный биосенсор для слоя органических молекул пентацена может быть создан на основе эффекта зависимости степени локализации поля фонон-поляритона в субволновых пространствах от угла наблюдения относительно главных оптических осей анизотропного кристалла

• Теоретическое описание брегговских резонансов в поляритонном кристалле на основе двумерного анизотропного материала со способностью подстройки посредством поворота осей кристалла относительно кристаллических осей материала дает понимание, как эффективно возбуждать и управлять гиперболическими поляритонами в плоскости анизотропного кристалла

Научная и практическая ценность. Предложенный метод неповреждающего периодического моделирования свойств кристалла позволяет создать подстраиваемое при помощи поворота устройство, управляемое, к примеру, при помощи воздействия на пьезоэлемент, без надобности нарушать целостность кристалла.

Полученные результаты по осуществлению направленного подстраиваемого молекулярного детектирования позволяют получать информацию о малых количествах детектируемого вещества из-за сильной локализации поля вблизи поверхности кристалла.

Представленная теоретическая модель поляритонных кристаллов

позволяет предсказывать параметры структур для возбуждения в них

топологических фонон-поляритонов с заданным импульсом, а предложенный

7

метод периодического структурирования подложки позволяет реализовывать активную внешнюю настройку таких структур.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертации, были доложены на следующих международных и российских конференциях:

• конференция METANANO 2021, онлайн, 13 - 17 сентября 2021 (устный доклад)

• конференция Nanophotonics of 2D Materials (N2D 2021), Бенаске, Испания, 7 - 13 ноября 2021 (устный доклад)

• 64-я Научная конференция МФТИ, Долгопрудный, Россия, 29 ноября -3 декабря 2021 (устный доклад)

• 13-я Международная конференция META, Париж, Франция, 18 июля -22 июля 2023 (стендовый доклад)

Публикации автора по теме диссертации. По результатам исследований были опубликованы 3 статьи в международных журналах, цитируемых базами Scopus и Web of Science:

• Capote-Robayna, N., Matveeva, O.G., Volkov, V.S., Alonso-González, P., Nikitin, A.Y. Twisted polaritonic crystals in thin van der Waals slabs. Laser & Photonics Rev. 16(9) (2022)

• Dmitriy Grudinin, Olga Matveeva, Georgy Ermolaev, Andrey Vyshnevyy, Aleksey Arsenin, and Valentyn Volkov. Reduction in Crosstalk between Integrated Anisotropic Optical Waveguides. Photonics 10, 59 (2023)

• Matveeva, O.G., Tresguerres-Mata, A.I.F., Kirtaev, R.V. et al. Twist-tunable polaritonic nanoresonators in a van der Waals crystal. npj 2D Mater Appl 7, 31 (2023)

Личный вклад соискателя. Научные результаты, описанные в диссертационной работе, получены лично автором или при её непосредственном участии.

Достоверность представленных результатов подтверждается сходимостью экспериментальных данных с результатами численного моделирования, а также с данными, полученными аналитически. Кроме того, экспериментальные данные находятся в согласии с результатами, полученными в работах других авторов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она изложена на 102 страницах машинописного текста, включает 25 рисунков и 2 таблицы. Список литературы насчитывает 121 наименование

Глава 1. Физические основания

В данной главе дается краткое введение в область поляритоники, которая позволяет преодолевать дифракционный предел и ограничивать свет на наноуровне, то есть существенно уменьшать его длину волны без увеличения его частоты. В частности, описана физика фонон-поляритонов, которые при возбуждении в ван-дер-ваальсовых материалах проявляют такие необычные свойства, как сверхограниченность, малые оптические потери и направленное распространение. Представлено техническое описание сканирующей ближнепольной оптической микроскопии рассеивающего типа (р-СБОМ) как нанофотонного инструмента для визуализации эванесцентных полей. Кроме того, даны сведения о физических свойствах триоксида молибдена.

Исторический обзор

В 1902 году Робертом Уильямсом Вудом8 были обнаружены интересные особенности в спектре света, отраженного от металлических решеток. Эти аномалии, позже названные именем Вуда, по сути представляли собой первоначальное задокументированное наблюдение поверхностных волн нового типа — плазмон-поляритонов. В 1936 г. Джон Стронг9 опубликовал важные измерения, которые продемонстрировали зависимость аномалий Вуда от металла, используемого для изготовления решетки, тем самым опровергнув классическую геометрическую интерпретацию аномалий Вуда. В 1941 году Хьюго Фано дал объяснение аномальной дифракции10. Фано объяснил аномалию «вынужденным резонансом», связанным с «излучающими волнами, поддерживаемыми решеткой». Другими словами, он объяснил аномалию возбуждением поверхностных волн, распространяющихся по поверхности

решетки. Замечательную интерпретацию Фано можно рассматривать как отправную точку для современного анализа аномалий Вуда, хотя связь между исходящими волнами Фано и поверхностными поляритонами не была установлена. Затем Кирилл Борисович Толпыго дал теоретическое описание связанных состояний электромагнитных волн и фононов в ионных кристаллах, а также их дисперсионных соотношений11, теперь известных как фонон-поляритоны, в 1950 году. В 1968 году Андреас Отто12, Эрих Кречманн и Хайнц Ретер13 предложили схемы возбуждения плазмон-поляритонов с использованием полного внутреннего отражения. Эти схемы легли в основу большого количества оптических биосенсоров и фотодетекторов, которые продолжают использоваться и сегодня благодаря исключительно высокой чувствительности. Изобретение лазера в 1950-1960-х гг. позволило исследовать волновые явления на объектах субмикронного масштаба, что позволило глубже понять физику, в частности, поверхностных волн. Кроме того, с изобретением туннельного, а следом и ближнепольного микроскопов появилась прорывная технология, позволяющая получать информацию не только о мельчайшей структуре поверхностей твердых тел, а также визуализировать поля распространяющихся по их поверхности волн. И, наконец, открытие Андреем Геймом и Константином Новосёловым14 графена в 2004 году дало возможность изготавливать нанооптические устройства с принципиально новыми характеристиками.

1.1 Фонон-поляритоны

Понимание взаимодействий света и материи привело научное сообщество к большому прогрессу как в фундаментальных исследованиях, так и в разработке прикладных технологий. Так, стало возможно манипулировать светом, чтобы управлять материей, например, управлять лазерным излучением, изменяя усиливающую среду и источник накачки15' 16. С другой стороны, можно манипулировать веществом с помощью света, как показано в

оптическом пинцете для работы с молекулами и клетками с помощью лазерных лучей17. Однако связь света и вещества на определенных частотах сталкивается с фундаментальной проблемой, известной как дифракционный предел. Этот предел накладывает ограничение на минимальное разрешаемое расстояние между внешними объектами, которое не может быть меньше половины длины волны падающего света18. Следовательно, этот предел ограничивает возможность использования электромагнитных волн для исследования и контроля оптических явлений. Например, в средней инфракрасной области спектра, где технологически важные за счет их биологических свойств материалы имеют линии поглощения5' 19, размеры исследуемых объектов значительно меньше длины волны падающего света.

Поляритоны являются удачным решением этой проблемы, позволяя удерживать свет в значительно меньших объемах20. Поляритонами называют гибридные возбуждения электромагнитного поля и материи, возникающие в результате взаимодействия фотонов с характерными возбуждениями в материале, существующими на той же частоте, что и возбуждающее электромагнитное поле1' 21. Благодаря своей способности удерживать свет в малых объемах, поляритоны имеют значительные перспективы для наномасштабных приложений, включая биосенсоры5' 6, нанохимию22, фотокатализ23, тепловое управление в ближней зоне24' 25 и перенос наносвета26.

Фонон-поляритоны27' 28, о которых и пойдет речь в настоящей

диссертации, представляют собой ограниченные волны, возникающие в

результате взаимодействия между фотонами и оптическими фононами в

полярных материалах, где связанные заряды колеблются когерентно внутри

кристаллической решетки29. Спектральный диапазон, способствующий

возбуждению ФП, непосредственно соответствует области, в которой

полярный материал проявляет отрицательную диэлектрическую

проницаемость, известной как полоса остаточных лучей, или

рестстраленовская полоса (РП). РП существует в узкой полосе частот,

определяемой между поперечным оптическим фононом (ТО) и продольным

12

оптическим фононом (ЬО), заставляя связанные заряды отражать падающее излучение27 (рис. 1а). Эти РП обычно находятся в диапазоне средних инфракрасных и терагерцовых частот.

частота

Рис. 1 | Свойства поверхностных фононных поляритонов. a, Осциллирующая решетка связанных зарядов в полярных материалах. Атомы изображены голубыми и фиолетовыми кружками, а их соответствующие движения - голубыми и фиолетовыми стрелками. Красные пунктирные линии показывают электрическое поле. Ь, Диэлектрическая проницаемость полярных материалов на инфракрасных частотах показывает наличие РП (область, где лежит красный мячик) между частотами ТО и LO фононов, где диэлектрическая проницаемость достигает отрицательных значений.

Примечательной особенностью ФП является их невосприимчивость к обычным процессам электрон-электронного рассеяния (омическим потерям), которые имеют место в металлах и, соответственно, в плазмон-поляритонах (1111). В результате ФП обладают относительно большим временем жизни порядка пикосекунд (в отличие от фемтосекундного времени жизни, наблюдаемого в ПП)30. Это свойство, вместе со способностью к высокой степени локализации поля, делает фонон-поляритоны привлекательными носителями сигнала в фотонных схемах.

При теоретическом моделировании проницаемости (ер) полярных материалов часто используется комбинация осцилляторов Лоренца (рис. 1Ь):

£р(Ю) = + ; п2 -пу . (1.1)

"то,] _ - 1ШУто,]

где - высокочастотная диэлектрическая проницаемость, юТО и ют -положения частот ТО и LO, соответственно, уТО и ую - коэффициенты затухания ТО и LO, j - индекс, характеризующий количество пар ТО^О, присутствующих в полярном материале.

1.2 Ближнепольная оптика

Однако при приближении к дифракционному пределу уменьшение длины волны поляритона Хр по сравнению с длиной волны возбуждающего света Х0 приводит к несоответствию импульсов Дк = кр - к0, которое необходимо преодолеть для эффективного возбуждения, где кр = 2л/Хр представляет собой импульс поляритона, а к0 = 2л/Х0 соответствует импульсу возбуждающего света. Существует несколько подходов к решению этой проблемы. Один из них - с помощью р-СБОМ микроскопии - будут описан в данной работе. В этой подглаве приведена информация о микроскопии р-СБОМ, а более подробно она будет описана в главе 2 данной работы.

Методы сканирующей зондовой микроскопии произвели революцию в изучении поверхностей твердых тел, обеспечив атомно-масштабное разрешение и возможность детектирования различных сигналов. К ним относятся сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), измеряющая туннельный ток между зондом и образцом, атомно-силовая микроскопия (АСМ), измеряющая силу, действующую на зонд, и ближнепольная оптическая микроскопия, изучающая оптические свойства образцов путем приближения нанозонда к их поверхности.

Рассеивающая сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (рис. 2) сыграла важную роль в поляритонике - области исследований, направленных на манипулирование и управление поляритонами - гибридными возбуждениями света и вещества. В отличие от традиционной микроскопии

дальнего поля, основанной на сборе проходящего или отраженного света, р-СБОМ использует ближние поля, создаваемые объектами при освещении. Эти ближние поля несут ценную информацию о материале, которая обычно теряется при использовании методов дальнего поля из-за быстрого затухания.

Метод микроскопии р-СБОМ основан на атомно-силовой микроскопии, когда металлический наконечник с лазерной подсветкой сканирует поверхность образца. Металлический наконечник выступает в роли наноантенны ближнего поля и нанорегистратора, обеспечивая разрешение, не зависящее от длины волны и ограниченное только его диаметром. Кроме того, уменьшенный размер наконечника позволяет возбуждать высокоограниченные поляритоны, что делает его мощным инструментом для нанооптики.

детектор

Рис. 2 | Схема принципа работы р-СБОМ. Свет, излучаемый лазером, разделяется на два оптических пути с помощью светоделителя. Первый путь подводится к параболическому зеркалу, которое фокусирует свет на колеблющемся наконечнике АСМ с металлическим покрытием. Типичная частота колебаний Q составляет 250 - 300 кГц. Наконечник АСМ возбуждает и рассеивает поляритоны в дальнем поле, возвращая рассеянное излучение по тому же оптическому пути. Другой путь направляется на

вибрирующее опорное зеркало (выполняющее роль интерферометра Майкельсона) и возвращается обратно. Частота колебаний зеркала М составляет около 400 Гц. Оба сигнала вновь сливаются в светоделителе и поступают на детектор. Более подробная информация будет представлена в Главе 2

Для понимания информации, извлекаемой с помощью р-СБОМ, ближнепольное взаимодействие между наконечником и образцом можно смоделировать с помощью простой схемы "точка-диполь"31. Представление наконечника АСМ в виде небольшой дипольной сферы позволяет качественно воспроизвести получаемые р-СБОМ изображения. В дальнейшем эта простая модель была расширена за счет рассмотрения наконечника в виде вытянутого сфероида32, что позволило более точно воспроизвести контрастность изображения, измеряемую наконечником АСМ. Действительно, с помощью этой теоретической модели были предсказаны, а затем подтверждены экспериментально сверхвысокие значения усиления поля ФП33. Важным достижением в области р-СБОМ стало внедрение метода псевдогетеродинного детектирования, позволяющего эффективно удалять фоновые сигналы, вносящие артефакты в изображения ближнего поля. Метод состоит в том, что к световоду системы подключается интерферометр Майкельсона, выполняющий роль опорного пучка. Демодулируя сигналы ближнего поля на высших гармониках частоты резонанса наконечника34' 35, он позволяет измерять амплитуду и фазу ближнего поля поляритона с полным подавлением фона. Эта методика будет подробно представлена в разделе 2.2.2. Как уже отмечалось ранее, с помощью р-СБОМ можно манипулировать и управлять глубоко субволновыми поляритонами. Как правило, поляритоны, возбуждаемые освещенным наконечником р-СБОМ, проходят через материал и обнаруживаются при отражении от границ (напомним, что наконечник является одновременно и регистратором, поэтому поляритоны, не прошедшие к нему, не визуализируются). При обратном отражении они формируют картину стоячей волны за счет интерференции с поляритоном, движущимся

вперед. Поэтому периодичность поляритонных волн, измеряемых с помощью р-СБОМ, обычно составляет половину длины волны поляритона, Хр/2. Такие волны называются "поляритонами, запускаемыми наконечником". Однако границы также могут запускать поляритоны, так называемые "краевые" поляритоны, которые имеют длину волны поляритона Хр. В целом на р-СБОМ -изображениях могут наблюдаться поляритонные дублеты, обусловленные вкладом обоих типов возбуждений36. Среди последних результатов в нанофотонике, полученных с помощью р-СБОМ, можно назвать демонстрацию планарного волновода графеновых ПП37, фокусировку поляритонов с помощью специализированных наноантенн26' 38; 39, планарное

40 41-43

линзирование поляритонов40, суперлинзирование и гиперлинзирование , программируемые поляритонные оптические элементы40' 44-46, фототоковая наноскопия47, поляритоны на терагерцовых частотах48' 49.

1.3 Ван-дер-ваальсовы материалы

С появлением двумерных материалов после выделения в 2004 г. графена (атомарной толщины лист атомов углерода, ковалентно связанный в сотовую решетку гибридными sp2)14 большое внимание стало уделяться семейству ван-дер-ваальсовых материалов, которое охватывает все известные вещества, состоящие из одно- или многоатомных плоскостей, удерживаемых вместе ван-дер-ваальсовыми силами, независимо от их физического поведения (металлы, изоляторы, полупроводники, магнитные материалы и т.д.). Благодаря своим беспрецедентным оптоэлектронным свойствам, такие ван-дер-ваальсовы материалы, как графен, дихалькогениды переходных металлов (WSe2, WS2, MoSe2, MoS2)50 и гексагональный нитрид бора (^В^51, быстро получили новые фундаментальные физические52-54 и прикладные55' 56 исследования. Важно отметить, что эти новые свойства также позволили изучить поверхностные поляритоны с интригующими характеристиками, о чем недавно сообщалось4' 37' 57-61. В частности, благодаря анизотропии, присущей

слоистой системе, в ван-дер-ваальсовых материалах в определенных

частотных диапазонах электромагнитного спектра можно обнаружить

внутриплоскостную и внеплоскостную диэлектрические проницаемости

противоположных знаков1' 20. Такое экзотическое поведение делает их

подходящими материальными платформами для поддержки поверхностных

поляритонов с наивысшей степенью связывания. Так, в работах48' 62

сообщается о длинах волн поляритонов, лежащих глубоко ниже длины волны

возбуждения и имеющих коэффициенты удержания Х0/Хр > 70, что

свидетельствует о том, что ван-дер-ваальсовы материалы являются

идеальными носителями для улавливания света в наномасштабе. Более того,

сообщается, что поляритонами в ван-дер-ваальсовых материалах можно легко

управлять с помощью внешних стимулов37' 57' 61, пассивной перестройки

толщины материала4' 58' 59 или наноструктурирования поверхности63. Кроме

того, приготовление образцов ван-дер-ваальсовых материалов методом

механической эксфолиации - простая задача, которая может быть выполнена

практически в любой лаборатории. Единственными техническими

требованиями являются наличие подходящей клейкой ленты, объемного

кристалла исследуемого ван-дер-ваальсова материала и оптического

микроскопа14. Утончение материала путем сворачивания и разворачивания

объемного кристалла на ленте позволяет отшелушивать ван-дер-ваальсовы

чешуйки практически любой желаемой толщины. Кроме того, благодаря

слоистому характеру материалов можно легко получить полностью плоские

образцы. Искусственные структуры, собранные из различных ван-дер-

ваальсовых материалов, известные как "ван-дер-ваальсовы

гетероструктуры"64, также могут быть легко изготовлены с помощью так

называемой техники сухого переноса65' 66, что позволяет получать системы с

интересными свойствами. Это является ключевым аспектом ван-дер-

ваальсовых материалов, поскольку изготовление разнородных структур из

обычных объемных материалов обычно требует применения дорогостоящих и

трудоемких методов эпитаксиального роста. Таким образом, ван-дер-

18

ваальсовы кристаллы представляют собой мощные строительные блоки для поляритонных исследований. Действительно, в стопках ван-дер-ваальсовых материалов были визуализированы новые поляритонные эффекты: гибридные плазмон-фононные поляритоны67' 68 с электрическим и толстотным контролем без ущерба для времени жизни, фотонные кристаллы и сверхрешетки на основе плазмон-поляритонов69' 70, а также бездифракционная поляритонная канализация71-75. Для наглядности в следующем подразделе представлены основные свойства фононных поляритонов в ван-дер-ваальсовом материале МоОз.

1.4 Характеристики кристалла MoOз

а-МоО3 - слоистый материал, открывающий широкие возможности для различных применений76' 77. Например, сообщалось о возможности использования этого материала в качестве газового сенсора77, поскольку газы или молекулы, внедренные в а-МоО3, могут восстанавливать или окислять материал, что приводит к изменению проводимости слоев78. Кристаллическая структура термодинамически стабильной фазы а-МоО3 представляет собой орторомбическую кристаллическую структуру с постоянными решетки а = 3,962 А, Ь = 13,855 А и с = 3,699 А и четырьмя формульными единицами в элементарной ячейке (7 = 4)77. Эта слоистая структура состоит из плоских двойных рядов неправильных октаэдров МоО6, удерживаемых вместе силами ван-дер-Ваальса вдоль вертикального [010] направления кристалла. Внутри октаэдра взаимодействие между атомами осуществляется с преобладанием ковалентных и ионных связей. Толщина каждого слоя составляет ~ 0,7 нм. Вдоль кристаллической линии [100] октаэдры МоО6 имеют общие кислородные углы, а в кристаллографическом направлении [001] образуют зигзагообразные цепочки с разделенными краями. В зависимости от координации выделяют три различных типа атомов кислорода76:

- Терминальный О^ который связывается исключительно с одним атомом Мо с расстоянием между связями 1,67 А.

- Асимметричный Оа, который соединяется с двумя различными атомами Мо со средними расстояниями между связями 1,74 А и 2,25 А.

- Мостиковый О^ который соединяется с тремя различными атомами Мо, причем два из них имеют среднее расстояние 1,95 А, а один - 2,33 А.

На рис. 3 показана кристаллическая структура а-МоО3, ее решетчатая элементарная ячейка, октаэдры МоО6 и оптическое изображение слоев а-МоО3. Вследствие такой структурной анизотропии ожидается, что оптические свойства также будут анизотропными.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Матвеева Ольга Геннадьевна, 2023 год

Список литературы

1. Basov DN, Fogler MM, de Abajo FJG. 2016. Polaritons in van der waals

materials. Science. 354(6309):aag1992.

2. Aga RS, Wang X, Dizon J, Noffsinger J, Wu JZ. 2005. Application of near-field

scanning microwave microprobe to electrical current density mapping. Applied Physics Letters. 86(23).

3. Py MA, Schmid PE, Vallin JT. 1977. Raman-scattering and structural-properties

of moo3. Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica B-General Physics Relativity Astronomy and Mathematical Physics and Methods. 38(2):271-279.

4. Ma WL, Alonso-Gonzalez P, Li SJ, Nikitin AY, Yuan J, Martin-Sanchez J,

Taboada-Gutierrez J, Amenabar I, Li PN, Velez S et al. 2018. In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der waals crystal. Nature. 562(7728):557-+.

5. Autore M, Li PN, Dolado I, Alfaro-Mozaz FJ, Esteban R, Atxabal A, Casanova

F, Hueso LE, Alonso-González P, Aizpurua J et al. 2018. Boron nitride nanoresonators for phonon-enhanced molecular vibrational spectroscopy at the strong coupling limit. Light: Science & Applications. 7:17172-17178.

6. Bylinkin A, Schnell M, Autore M, Calavalle F, Li PN, Taboada-Gutiérrez J, Liu

S, Edgar JH, Casanova F, Hueso LE et al. 2021. Real-space observation of vibrational strong coupling between propagating phonon polaritons and organic molecules. Nature Photonics. 15(3):197-202.

7. Novotny L. 2010. Strong coupling, energy splitting, and level crossings: A

classical perspective. American Journal of Physics. 78(11): 1199-1202.

8. Wood RW. 1902. On a remarkable case of uneven distribution of light in a

diffraction grating spectrum. Philosophical Magazine. 4(19-24):396-402.

9. Strong J. 1936. Effect of evaporated films on energy distribution in grating

spectra. Physical Review. 49(4):0291-0296.

90

10. Fano U. 1941. The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-

stationary waves on metallic surfaces (sommerfeld's waves). Journal of the Optical Society of America. 31(3):213-222.

11. Tolpygo KB. 2008. Physical properties of a rock salt lattice made up of

deformable ions. Ukrainian Journal of Physics. 53:93-102.

12. Otto A. 1968. Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by

method of frustrated total reflection. Zeitschrift Fur Physik. 216(4):398-&.

13. Kretschm.E, Raether H. 1968. Radiative decay of non radiative surface plasmons

excited by light. Zeitschrift Fur Naturforschung Part a-Astrophysik Physik Und Physikalische Chemie. A 23(12):2135-&.

14. Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, Jiang D, Zhang Y, Dubonos SV,

Grigorieva IV, Firsov AA. 2004. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306(5696):666-669.

15. Basov NG. 1965. Semiconductor lasers. Science. 149(3686):821-+.

16. Faist J, Capasso F, Sivco DL, Sirtori C, Hutchinson AL, Cho AY. 1994.

Quantum cascade laser. Science. 264(5158):553-556.

17. Ashkin A, Dziedzic JM, Bjorkholm JE, Chu S. 1986. Observation of a single-

beam gradient force optical trap for dielectric particles. Optics Letters. 11(5):288-290.

18. Wolter H. 1966. Born,m - principles of optics electromagnetic theory of

propagation interference and diffraction of light. Zeitschrift Fur Angewandte Physik. 21(6):565-&.

19. Dolado I, Maciel-Escudero C, Nikulina E, Modin E, Calavalle F, Chen S,

Bylinkin A, Alfaro-Mozaz FJ, Li JH, Edgar JH et al. 2022. Remote near-field spectroscopy of vibrational strong coupling between organic molecules and phononic nanoresonators. Nature Communications. 13(1).

20. Low T, Chaves A, Caldwell JD, Kumar A, Fang NX, Avouris P, Heinz TF,

Guinea F, Martin-Moreno L, Koppens F. 2017. Polaritons in layered two-dimensional materials. Nature Materials. 16(2):182-194.

21. Barnes WL, Dereux A, Ebbesen TW. 2003. Surface plasmon subwavelength

optics. Nature. 424(6950):824-830.

22. Ribeiro RF, Martinez-Martinez LA, Du M, Campos-Gonzalez-Angulo J, Yuen-

Zhou J. 2018. Polariton chemistry: Controlling molecular dynamics with optical cavities. Chemical Science. 9(30):6325-6339.

23. Ahn W, Ratchford DC, Pehrsson PE, Simpkins BS. 2017. Surface plasmon

polariton-induced hot carrier generation for photocatalysis. Nanoscale. 9(9):3010-3022.

24. van Zwol PJ, Joulain K, Ben-Abdallah P, Chevrier J. 2011. Phonon polaritons

enhance near-field thermal transfer across the phase transition of vo2. Physical Review B. 84(16).

25. Greffet JJ, Carminati R, Joulain K, Mulet JP, Mainguy SP, Chen Y. 2002.

Coherent emission of light by thermal sources. Nature. 416(6876):61-64.

26. Huber AJ, Deutsch B, Novotny L, Hillenbrand R. 2008. Focusing of surface

phonon polaritons. Applied Physics Letters. 92(20).

27. Fox M. 2002. Optical properties of solids.

28. Agranovich V. 1965. Crystalloptics with consideration of spatial dispersion and

exciton theory. In: Ginzburg V, editor.: Nauka. p. 375.

29. Boardman AD. 1982. Electromagnetic surface modes. John Wiley & Sons.

30. Derrien TJY, Kruger J, Bonse J. 2016. Properties of surface plasmon polaritons

on lossy materials: Lifetimes, periods and excitation conditions. Journal of Optics. 18(11).

31. Knoll B, Keilmann F. 1999. Near-field probing of vibrational absorption for

chemical microscopy. Nature. 399(6732):134-137.

32. Cvitkovic A, Ocelic N, Hillenbrand R. 2007. Analytical model for quantitative

prediction of material contrasts in scattering-type near-field optical microscopy. Optics Express. 15(14):8550-8565.

33. Hillenbrand R, Taubner T, Keilmann F. 2002. Phonon-enhanced light-matter

interaction at the nanometre scale. Nature. 418(6894):159-162.

34. Ocelic N, Huber A, Hillenbrand R. 2006. Pseudoheterodyne detection for

background-free near-field spectroscopy. Applied Physics Letters. 89(10).

35. Ocelic N. 2007. Quantitative near-field phonon-polariton spectroscopy. PhD

thesis, Technische Universität München.

36. Dai SY, Ma Q, Yang YF, Rosenfeld J, Goldflam MD, McLeod A, Sun ZY,

Andersen TI, Fei Z, Liu MK et al. 2017. Efficiency of launching highly confined polaritons by infrared light incident on a hyperbolic material. Nano Letters. 17(9):5285-5290.

37. Chen JN, Badioli M, Alonso-Gonzalez P, Thongrattanasiri S, Huth F, Osmond

J, Spasenovic M, Centeno A, Pesquera A, Godignon P et al. 2012. Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons. Nature. 487(7405):77-81.

38. Alonso-Gonzalez P, Nikitin AY, Golmar F, Centeno A, Pesquera A, Velez S,

Chen J, Navickaite G, Koppens F, Zurutuza A et al. 2014. Controlling graphene plasmons with resonant metal antennas and spatial conductivity patterns. Science. 344(6190):1369-1373.

39. Martin-Sanchez J, Duan JH, Taboada-Gutierrez J, Alvarez-Perez G, Voronin

KV, Prieto I, Ma WL, Bao QL, Volkov VS, Hillenbrand R et al. 2021. Focusing of in-plane hyperbolic polaritons in van der waals crystals with tailored infrared nanoantennas. Science Advances. 7(41).

40. Duan J, Alvarez-Perez G, Tresguerres-Mata AIF, Taboada-Gutierrez J, Voronin

KV, Bylinkin A, Chang B, Xiao S, Liu S, Edgar JH et al. 2021. Planar refraction and lensing of highly confined polaritons in anisotropic media. Nature Communications. 12(1).

41. Dai S, Ma Q, Andersen T, McLeod AS, Fei Z, Liu MK, Wagner M, Watanabe

K, Taniguchi T, Thiemens M et al. 2015. Subdiffractional focusing and guiding of polaritonic rays in a natural hyperbolic material. Nature Communications. 6.

42. Li PN, Lewin M, Kretinin AV, Caldwell JD, Novoselov KS, Taniguchi T,

Watanabe K, Gaussmann F, Taubner T. 2015. Hyperbolic phonon-polaritons

in boron nitride for near-field optical imaging and focusing. Nature Communications. 6.

43. Taubner T, Korobkin D, Urzhumov Y, Shvets G, Hillenbrand R. 2006. Near-

field microscopy through a sic superlens. Science. 313(5793):1595-1595.

44. Chaudhary K, Tamagnone M, Yin XH, Spagele CM, Oscurato SL, Li JH, Persch

C, Li RP, Rubin NA, Jauregui LA et al. 2019. Polariton nanophotonics using phase-change materials. Nature Communications. 10.

45. Hessler A, Wahl S, Leuteritz T, Antonopoulos A, Stergianou C, Schon CF,

Naumann L, Eicker N, Lewin M, Mass TWW et al. 2021. In3sbte2 as a programmable nanophotonics material platform for the infrared. Nature Communications. 12(1).

46. Wuttig M, Bhaskaran H, Taubner T. 2017. Phase-change materials for non-

volatile photonic applications. Nature Photonics. 11(8):465-476.

47. Alonso-Gonzalez P, Nikitin AY, Gao Y, Woessner A, Lundeberg MB, Principi

A, Forcellini N, Yan WJ, Velez S, Huber AJ et al. 2017. Acoustic terahertz graphene plasmons revealed by photocurrent nanoscopy. Nature Nanotechnology. 12(1):31-35.

48. de Oliveira T, Norenberg T, Alvarez-Perez G, Wehmeier L, Taboada-Gutierrez

J, Obst M, Hempel F, Lee EJH, Klopf JM, Errea I et al. 2021. Nanoscale-confined terahertz polaritons in a van der waals crystal. Advanced Materials. 33(2).

49. Cocker TL, Jelic V, Hillenbrand R, Hegmann FA. 2021. Nanoscale terahertz

scanning probe microscopy. Nature Photonics. 15(8):558-569.

50. Mak KF, Lee C, Hone J, Shan J, Heinz TF. 2010. Atomically thin mos2: A new

direct-gap semiconductor. Physical Review Letters. 105(13).

51. Dean CR, Young AF, Meric I, Lee C, Wang L, Sorgenfrei S, Watanabe K,

Taniguchi T, Kim P, Shepard KL et al. 2010. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nature Nanotechnology. 5(10):722-726.

52. Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, Jiang D, Katsnelson MI, Grigorieva IV,

Dubonos SV, Firsov AA. 2005. Two-dimensional gas of massless dirac fermions in graphene. Nature. 438(7065):197-200.

53. Castro Neto AH, Guinea F, Peres NMR, Novoselov KS, Geim AK. 2009. The

electronic properties of graphene. Reviews of Modern Physics. 81(1): 109162.

54. Geim AK. 2009. Graphene: Status and prospects. Science. 324(5934):1530-

1534.

55. Blake P, Brimicombe PD, Nair RR, Booth TJ, Jiang D, Schedin F, Ponomarenko

LA, Morozov SV, Gleeson HF, Hill EW et al. 2008. Graphene-based liquid crystal device. Nano Letters. 8(6):1704-1708.

56. Nair RR, Wu HA, Jayaram PN, Grigorieva IV, Geim AK. 2012. Unimpeded

permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes. Science. 335(6067):442-444.

57. Fei Z, Rodin AS, Andreev GO, Bao W, McLeod AS, Wagner M, Zhang LM,

Zhao Z, Thiemens M, Dominguez G et al. 2012. Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging. Nature. 487(7405):82-85.

58. Dai S, Fei Z, Ma Q, Rodin AS, Wagner M, McLeod AS, Liu MK, Gannett W,

Regan W, Watanabe K et al. 2014. Tunable phonon polaritons in atomically thin van der waals crystals of boron nitride. Science. 343(6175): 1125-1129.

59. Taboada-Gutierrez J, Alvarez-Perez G, Duan JH, Ma WL, Crowley K, Prieto I,

Bylinkin A, Autore M, Volkova H, Kimura K et al. 2020. Broad spectral tuning of ultra-low-loss polaritons in a van der waals crystal by intercalation. Nature Materials. 19(9):964-+.

60. Hu F, Luan Y, Scott ME, Yan J, Mandrus DG, Xu X, Fei Z. 2017. Imaging

exciton-polariton transport in mose2 waveguides. Nature Photonics. 11(6):356-+.

61. Sternbach AJ, Chae SH, Latini S, Rikhter AA, Shao Y, Li B, Rhodes D, Kim B,

Schuck PJ, Xu X et al. 2021. Programmable hyperbolic polaritons in van der waals semiconductors. Science. 371(6529):617-+.

62. Lee IH, He MZ, Zhang X, Luo YJ, Liu S, Edgar JH, Wang K, Avouris P, Low

T, Caldwell JD et al. 2020. Image polaritons in boron nitride for extreme polariton confinement with low losses. Nature Communications. 11(1).

63. Li PN, Dolado I, Alfaro-Mozaz FJ, Casanova F, Hueso LE, Liu S, Edgar JH,

Nikitin AY, Velez S, Hillenbrand R. 2018. Infrared hyperbolic metasurface based on nanostructured van der waals materials. Science. 359(6378):892-+.

64. Geim AK, Grigorieva IV. 2013. Van der waals heterostructures. Nature.

499(7459):419-425.

65. Castellanos-Gomez A, Buscema M, Molenaar R, Singh V, Janssen L, van der

Zant HSJ, Steele GA. 2014. Deterministic transfer of two-dimensional materials by all-dry viscoelastic stamping. 2d Materials. 1(1).

66. Frisenda R, Navarro-Moratalla E, Gant P, De Lara DP, Jarillo-Herrero P,

Gorbachev RV, Castellanos-Gomez A. 2018. Recent progress in the assembly of nanodevices and van der waals heterostructures by deterministic placement of 2d materials. Chemical Society Reviews. 47(1):53-68.

67. Dai S, Ma Q, Liu MK, Andersen T, Fei Z, Goldflam MD, Wagner M, Watanabe

K, Taniguchi T, Thiemens M et al. 2015. Graphene on hexagonal boron nitride as a tunable hyperbolic metamaterial. Nature Nanotechnology. 10(8):682-686.

68. Woessner A, Lundeberg MB, Gao Y, Principi A, Alonso-Gonzaolez P, Carrega

M, Watanabe K, Taniguchi T, Vignale G, Polini M et al. 2015. Highly confined low-loss plasmons in graphene-boron nitride heterostructures. Nature Materials. 14(4):421-425.

69. Ni GX, Wang H, Wu JS, Fei Z, Goldflam MD, Keilmann F, Ozyilmaz B, Neto

AHC, Xie XM, Fogler MM et al. 2015. Plasmons in graphene moire superlattices. Nature Materials. 14(12):1217-1222.

70. Sunku SS, Ni GX, Jiang BY, Yoo H, Sternbach A, McLeod AS, Stauber T,

Xiong L, Taniguchi T, Watanabe K et al. 2018. \ photonic crystals for nano-light in moire graphene superlattices. Science. 362(6419):1153-+.

71. Sheinfux HH, Koppens FHL. 2020. The rise of twist-optics. Nano Letters.

20(10):6935-6936.

72. Duan JH, Capote-Robayna N, Taboada-Gutiérrez J, Álvarez-Pérez G, Prieto I,

Martín-Sánchez J, Nikitin AY, Alonso-González P. 2020. Twisted nano-optics: Manipulating light at the nanoscale with twisted phonon polaritonic slabs. Nano Letters. 20(7):5323-5329.

73. Hu GW, Ou QD, Si GY, Wu YJ, Wu J, Dai ZG, Krasnok A, Mazor Y, Zhang Q,

Bao QL et al. 2020. Topological polaritons and photonic magic angles in twisted alpha-moo(3)bilayers. Nature. 582(7811):209-+.

74. Zheng ZB, Sun FS, Huang WC, Jiang JY, Zhan RZ, Ke YL, Chen HJ, Deng SZ.

2020. Phonon polaritons in twisted double-layers of hyperbolic van der waals crystals. Nano Letters. 20(7):5301-5308.

75. Chen MY, Lin X, Dinh TH, Zheng ZR, Shen JL, Ma Q, Chen HS, Jarillo-Herrero

P, Dai SY. 2020. Configurable phonon polaritons in twisted alpha-moo3. Nature Materials. 19(12):1307-+.

76. de Castro IA, Datta RS, Ou JZ, Castellanos-Gomez A, Sriram S, Daeneke T,

Kalantar-zadeh K. 2017. Molybdenum oxides - from fundamentals to functionality. Advanced Materials. 29(40).

77. Balendhran S, Walia S, Nili H, Ou JZ, Zhuiykov S, Kaner RB, Sriram S,

Bhaskaran M, Kalantar-zadeh K. 2013. Two-dimensional molybdenum trioxide and dichalcogenides. Advanced Functional Materials. 23(32):3952-3970.

78. Wang JX, Zhou Q, Peng SD, Xu LN, Zeng W. 2020. Volatile organic compounds

gas sensors based on molybdenum oxides: A mini review. Frontiers in Chemistry. 8.

79. Ferrari L, Wu CH, Lepage D, Zhang X, Liu ZW. 2015. Hyperbolic metamaterials

and their applications. Progress in Quantum Electronics. 40:1-40.

80. High AA, Devlin RC, Dibos A, Polking M, Wild DS, Perczel J, de Leon NP,

Lukin MD, Park H. 2015. Visible-frequency hyperbolic metasurface. Nature. 522(7555):192-196.

81. Poddubny A, Iorsh I, Belov P, Kivshar Y. 2013. Hyperbolic metamaterials.

Nature Photonics. 7(12):948-957.

82. Christopher P, Xin HL, Linic S. 2011. Visible-light-enhanced catalytic oxidation

reactions on plasmonic silver nanostructures. Nature Chemistry. 3(6):467-472.

83. Autore M, Dolado I, Li PN, Esteban R, Alfaro-Mozaz FJ, Atxabal A, Liu S,

Edgar JH, Velez S, Casanova F et al. 2021. Enhanced light-matter interaction in b-10 monoisotopic boron nitride infrared nanoresonators. Advanced Optical Materials. 9(5).

84. Rodrigo D, Limaj O, Janner D, Etezadi D, de Abajo FJG, Pruneri V, Altug H.

2015. Mid-infrared plasmonic biosensing with graphene. Science. 349(6244):165-168.

85. Kim S, Menabde SG, Brar VW, Jang MS. 2020. Functional mid-infrared

polaritonics in van der waals crystals. Advanced Optical Materials. 8(5).

86. Li P, Dolado I, Alfaro-Mozaz FJ, Nikitin AY, Casanova F, Hueso LE, Velez S,

Hillenbrand R. 2017. Optical nanoimaging of hyperbolic surface polaritons at the edges of van der waals materials. Nano Letters. 17(1):228-235.

87. Nikitin AY, Yoxall E, Schnell M, Velez S, Dolado I, Alonso-Gonzalez P,

Casanova F, Hueso LE, Hillenbrand R. 2016. Nanofocusing of hyperbolic phonon polaritons in a tapered boron nitride slab. Acs Photonics. 3(6):924-929.

88. MULTIPHYSICS C. Https://www.Comsol.Com/.

89. Hillenbrand R. 2004. Towards phonon photonics: Scattering-type near-field

optical microscopy reveals phonon-enhanced near-field interaction. Ultramicroscopy. 100(3-4):421-427.

90. Taubner T, Hillenbrand R, Keilmann F. 2003. Performance of visible and mid-

infrared scattering-type near-field optical microscopes. Journal of Microscopy-Oxford. 210:311-314.

91. Keilmann F, Hillenbrand R. 2004. Near-field microscopy by elastic light

scattering from a tip. Philosophical Transactions of the Royal Society a-Mathematical Physical and Engineering Sciences. 362(1817):787-805.

92. Zenhausern F, Martin Y, Wickramasinghe HK. 1995. Scanning interferometric

apertureless microscopy - optical imaging at 10 angstrom resolution. Science. 269(5227): 1083-1085.

93. Zhang Q, Hu GW, Ma WL, Li PN, Krasnok A, Hillenbrand R, Alu A, Qiu CW.

2021. Interface nano-optics with van der waals polaritons. Nature. 597(7875):187-195.

94. Zheng ZB, Xu NS, Oscurato SL, Tamagnone M, Sun FS, Jiang YZ, Ke YL, Chen

JN, Huang WC, Wilson WL et al. 2019. A mid-infrared biaxial hyperbolic van der waals crystal. Science Advances. 5(5):eaav8690.

95. Ma WL, Shabbir B, Ou QD, Dong YM, Chen HY, Li PN, Zhang XL, Lu YR,

Bao QL. 2020. Anisotropic polaritons in van der waals materials. Infomat. 2(5):777-790.

96. Sun FS, Huang WC, Zheng ZB, Xu NS, Ke YL, Zhan RZ, Chen HJ, Deng SZ.

2021. Polariton waveguide modes in two-dimensional van der waals crystals: An analytical model and correlative nano-imaging. Nanoscale. 13(9):4845-4854.

97. Zheng ZB, Chen JN, Wang Y, Wang XM, Chen XB, Liu PY, Xu JB, Xie WG,

Chen HJ, Deng SZ et al. 2018. Highly confined and tunable hyperbolic phonon polaritons in van der waals semiconducting transition metal oxides. Advanced Materials. 30(13):e1705318.

98. Alvarez-Perez G, Gonzalez-Moran A, Capote-Robayna N, Voronin KV, Duan

JH, Volkov VS, Alonso-Gonzalez P, Nikitin AY. 2022. Active tuning of highly anisotropic phonon polaritons in van der waals crystal slabs by gated graphene. Acs Photonics. 9(2):383-390.

99. Dolado I, Alfaro-Mozaz FJ, Li PN, Nikulina E, Bylinkin A, Liu S, Edgar JH,

Casanova F, Hueso LE, Alonso-González P et al. 2020. Nanoscale guiding of

infrared light with hyperbolic volume and surface polaritons in van der waals material ribbons. Advanced Materials. 32(9):1906530.

100. Ju L, Geng BS, Horng J, Girit C, Martin M, Hao Z, Bechtel HA, Liang XG,

Zettl A, Shen YR et al. 2011. Graphene plasmonics for tunable terahertz metamaterials. Nature Nanotechnology. 6(10):630-634.

101. Maniyara RA, Rodrigo D, Yu R, Canet-Ferrer J, Ghosh DSR, Yongsunthon R,

Baker DE, Rezikyan A, de Abajo FJG, Pruneri V. 2019. Tunable plasmons in ultrathin metal films. Nature Photonics. 13(5):328-333.

102. Duan JH, Alfaro-Mozaz FJ, Taboada-Gutierrez J, Dolado I, Alvarez-Perez G,

Titova E, Bylinkin A, Tresguerres-Mata AIF, Martin-Sanchez J, Liu S et al. 2022. Active and passive tuning of ultranarrow resonances in polaritonic nanoantennas. Advanced Materials. 34(10).

103. Huang WC, Sun FS, Zheng ZB, Folland TG, Chen XX, Liao HZ, Xu NS,

Caldwell JD, Chen HJ, Deng SZ. 2021. Van der waals phonon polariton microstructures for configurable infrared electromagnetic field localizations. Advanced Science. 8(13).

104. Iranzo DA, Nanot S, Dias EJC, Epstein I, Peng C, Efetov DK, Lundeberg MB,

Parret R, Osmond J, Hong JY et al. 2018. Probing the ultimate plasmon confinement limits with a van der waals heterostructure. Science. 360(6386):291-295.

105. Lee IH, Yoo D, Avouris P, Low T, Oh SH. 2019. Graphene acoustic plasmon

resonator for ultrasensitive infrared spectroscopy. Nature Nanotechnology. 14(4):313-319.

106. Alvarez-Perez G, Foland TG, Errea I, Taboada-Gutierrez J, Duan JH, Martin-

Sanchez J, Tresguerres-Mata AIF, Matson JR, Bylinkin A, He MZ et al. 2020. Infrared permittivity of the biaxial van der waals semiconductor alpha-moo3 from near- and far-field correlative studies. Advanced Materials. 32(29).

107. Alvarez-Perez G, Voronin KV, Volkov VS, Alonso-Gonzalez P, Nikitin AY.

2019. Analytical approximations for the dispersion of electromagnetic modes in slabs of biaxial crystals. Physical Review B. 100(23).

108. Nikitin AY, Low T, Martín-Moreno L. 2014. Anomalous reflection phase of

graphene plasmons and its influence on resonators. Physical Review B. 90(4):5.

109. Wang C, Huang SY, Xing QX, Xie YG, Song CY, Wang FJ, Yan HG. 2020.

Van der waals thin films of wte2 for natural hyperbolic plasmonic surfaces. Nature Communications. 11(1):9.

110. Alfaro-Mozaz FJ, Rodrigo SG, Alonso-González P, Velez S, Dolado I, Casanova F, Hueso LE, Martín-Moreno L, Hillenbrand R, Nikitin AY. 2019. Deeply subwavelength phonon-polaritonic crystal made of a van der waals material. Nature Communications. 10:7.

111. Tittl A, Leitis A, Liu MK, Yesilkoy F, Choi DY, Neshev DN, Kivshar YS,

Altug H. 2018. Imaging-based molecular barcoding with pixelated dielectric metasurfaces. Science. 360(6393):1105-1109.

112. Torma P, Barnes WL. 2015. Strong coupling between surface plasmon polaritons and emitters: A review. Reports on Progress in Physics. 78(1).

113. Barra-Burillo M, Muniain U, Catalano S, Autore M, Casanova F, Hueso LE,

Aizpurua J, Esteban R, Hillenbrand R. 2021. Microcavity phonon polaritons from the weak to the ultrastrong phonon-photon coupling regime. Nature Communications. 12(1).

114. Ruiz R, Choudhary D, Nickel B, Toccoli T, Chang KC, Mayer AC, Clancy P,

Blakely JM, Headrick RL, Iannotta S et al. 2004. Pentacene thin film growth. Chemistry of Materials. 16(23):4497-4508.

115. Passler NC, Paarmann A. 2017. Generalized 4 x 4 matrix formalism for light

propagation in anisotropic stratified media: Study of surface phonon polaritons in polar dielectric heterostructures. Journal of the Optical Society of America B-Optical Physics. 34(10):2128-2139.

116. Alfaro-Mozaz FJ, Rodrigo SG, Velez S, Dolado I, Govyadinov A, Alonso-

Gonzalez P, Casanova F, Hueso LE, Martin-Moreno L, Hillenbrand R et al. 2021. Hyperspectral nanoimaging of van der waals polaritonic crystals. Nano Letters. 21(17):7109-7115.

117. Yang J, Krix ZE, Kim S, Tang JB, Mayyas M, Wang YF, Watanabe K,

Taniguchi T, Li LH, Hamilton AR et al. 2021. Near-field excited archimedean-like tiling patterns in phonon-polaritonic crystals. Acs Nano. 15(5):9134-9142.

118. Guddala S, Komissarenko F, Kiriushechkina S, Vakulenko A, Li M, Menon

VM, Alu A, Khanikaev AB. 2021. Topological phonon-polariton funneling in midinfrared metasurfaces. Science. 374(6564):225-+.

119. Nikitin AY. 2017. In world scientific handbook of metamaterials and plasmonics, world scientific series in nanoscience and nanotechnology. Cambridge University Press. p. 307-338.

120. Slipchenko TM, Nesterov ML, Martin-Moreno L, Nikitin AY. 2013. Analytical

solution for the diffraction of an electromagnetic wave by a graphene grating. Journal of Optics. 15(11).

121. Lv JT, Wu YJ, Liu JY, Gong YN, Si GY, Hu GW, Zhang Q, Zhang YP, Tang

JX, Fuhrer MS et al. 2023. Hyperbolic polaritonic crystals with configurable low-symmetry bloch modes. Nature Communications. 14(1).