論文作者：戴志高、胡光維、歐清東、張磊、夏豐年、Francisco J. Garcia-Vidal
通訊作者：仇成偉、鮑橋梁
第一單位：中國地質大學（武漢）
1. 綜述從人工超材料出發，闡述了啟發人工超材料的二維材料獨特光學特性，包括天然超材料特性、獨特的光學躍遷、低損耗的極化激元。2. 系統討論了實現基于二維材料的超光子學構建辦法，如二維材料的微納加工、二維材料的堆疊、以及二維材料與傳統超結構的復合。在此基礎上，總結和展望了基于層狀二維材料的超光子學應用。超材料是具有廣泛應用前景的人工材料，例如負折射、完美透鏡、亞波長成像和隱身，而使用基于層狀二維材料的超材料，以實現超光子特性的可能性已得到了廣泛證實。二維材料具有高度的可調諧性和可調整性，易于被進行微納加工，此外還具有天然負折射、天然各向異性、甚至天然雙曲色散等多種光學特性，層狀二維材料與常規超材料的結合有望實現多種應用。有鑒于此，新加坡國立大學仇成偉課題組和澳大利亞蒙納士大學鮑橋梁課題組合作開展了基于層狀二維材料的超光子學研究工作（見鏈接納米人6月13號頭條Nature），而這篇綜述中，作者們闡述了超材料的概念及其相關的超光子能力是如何自然地在層狀二維材料中誕生（圖1）。層狀二維材料多功能性使得構造新穎的光學器件成為可能，器件可在從可見光到太赫茲的寬頻率范圍內工作，并且具有低損耗、高速、可調性和小型化等特點。這一新的研究領域將光子學、光電子學和表面等離激元光子學領域與超材料領域聯系起來，并為層狀二維材料啟發的超光子器件未來創新提供見解。要點1：超材料/超表面和二維材料的交叉及相互啟發歷史夢尋"邁它"千百度，驀然回首，它亦在二維世界處。（語出仇成偉教授）。
傳統超材料需要構建結構化的異質結構形成雙曲色散，而二維材料中的氮化硼、α-MoO3，以及最近報道的α-V2O5不需要微結構，其聲子極化激元為不同類型的雙曲色散。在這里主要探討面內各向異性，由于二維材料面內非對稱的晶體結構，如黑磷存在面內各項異性表面等離激元以及α-MoO3的存在的面內雙曲及橢圓色散的聲子極化激元。
圖5. 黑磷的面內各項異性表面等離激元；多層石墨烯的負折射。從原理上來講，任何各向異性的材料都可以支持負折射，但是由于目前的各向異性較小，因此通常無法觀察到。而石墨烯表現出大的光學非線性，極低的吸收率，因此在多層石墨烯和石墨烯與氮化硼的異質節中觀察到負折射現象。分別從石墨烯零帶隙和過渡金屬硫族化合物（TMDs）時間反演對稱性破缺回顧了層狀二維材料中寬光譜的物質與光相互作用的基本原理。其范圍從紫外范圍到中紅外頻率范圍，從線性范圍到非線性范圍。層狀二維材料中的物質與光相互作用還具有傳統超材料難以實現的輕松調控，如電調控、化學摻雜、應變、背景電介質環境和堆疊順序等。
圖6. 光與石墨烯的相互作用：帶間躍遷、躍遷禁忌、非線性。幾十年來，等離激元光子學和超材料界一直將解決貴金屬（例如金，銀，銅和鋁）中的傳輸損失作為一個重要目標。在本節中，綜述重點回顧了石墨烯材料中的低損耗等離激元、層狀二維極性材料中的低損耗聲子極化激元以及兩者的復合模式等離激元-聲子雜化極化激元。最后，比較了傳統等離激元金屬和層狀二維材料中極化激元。
表1. 傳統等離激元金屬和層狀二維材料中極化激元。材料 | 極化激元 | 激發波長 (μm) | 壓縮比率 | 品質因子 | 壽命 (fs) |
定義 |
| λ0 | λ0/λp | q′p/q″p | τ=2q′p/q″pω or τx=Lx/vg, |
Ag a (T=10 K) | 等離激元 | 可見光 | ~1 | 36 | 14 |
Au a | 等離激元 | 0.486 | ~1 | 9.6 | 5 |
Cu a | 等離激元 | 0.365 | ~1 | 11.5 | 4.5 |
石墨烯 (Exp., RT) | 等離激元 | 9.7 | ~40 | ~90 | 934 |
石墨烯 (Exp., RT) | 等離激元 | 11.2 | 51 | ~7.4 | 88 |
石墨烯(Exp., T=60 K) | 等離激元 | 11.286 | 66 | 130 | 1,600 |
石墨烯 (本征, T=60 K) | 等離激元 | 11.286 | 66 | 970 | 12,000 |
石墨烯在氮化硼中 | 等離激元 | 10.688 | 150 | 25 | 500 |
石墨烯在氮化硼上 | 等離激元-聲子 | 6.6889 | 37 | 16.7 | 260 |
氮化硼 b | 面外雙曲聲子 | 6.410 | 25 | 18 | 120 |
氮化硼 99% | 面外雙曲聲子 | 6.410 | 厚度依賴 | ~100 | ~8,500 |
α-MoO3 c | 面內雙曲聲子 | 11.198 | ~9 |
| ~1,900 |
α-MoO3 d | 面內橢圓聲子 | 9.98 | ~10 |
| ~22,000 |
a在實部（?）=-2且周圍環境為空氣的情況下進行的評估；上一要點探討了層狀二維材料前途光明的光學特性及其與光的相互作用機理。為了進一步改善和擴展層狀二維材料在超光子學中的應用，通常采用諸如：對層狀二維材料進行微細加工和納米加工、與層狀二維材料、與傳統超材料堆疊的策略。通過將傳統超材料與層狀二維材料（例如石墨烯，TMD，hBN和BP）結合使用，可以實現光學和電可調的超表面。圖8. 層狀二維材料光柵、極化激元晶體、開口環及異質堆疊等。在應用部分，分別從兩大部分展開闡述：1.圍繞傳統超材料應用，引入二維材料實現了超薄、多維度調控（圖11-13）；2.圍繞傳統層狀二維應用，引入超材料及其設計理念提高性能（圖14-16）。圖14. 基于層狀二維材料的光電探測器通過超表面概念得到增強。圖16 超表面增強單層TMDs材料的線性及非線性發射。當前的超光子學研究集中在理論設計和計算上，特別是針對基于傳統金屬的超表面和超材料提出了許多理論，例如關于薄超材料完美吸收或雙曲線超材料。最近，因為研究人員對石墨烯和相關層狀二維材料的興趣顯著增加，超材料的概念已擴展到層狀二維材料光學。這篇綜述總結了一些代表性的層狀二維超材料及其應用。一些基于層狀二維材料和亞波長金屬納米結構的多層體系結構需要復雜的多步納米加工和微納光刻技術，這可能會影響或降低原子薄層二維材料的固有光電性能。總的來說，基于層狀二維材料的超光子學理論處于主導地位，而基于這些材料的超光子結構和器件的納米制造和實際實現卻處于落后地位。而以下幾個領域有望首先取得突破：3. Moiré模式和“魔角”（已取得相關進展Nature 582. 2020. 209–213）。(1)Dai Zhigao et al. Artificial Metaphotonics Born Naturally in Two Dimensions. Chemical Reviews, 2020.DOI：10.1021/acs.chemrev.9b00592https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00592
(2)Ma Weiliang et al. In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal. Nature, 2018, 562, 557-562.(3)Hu Guangwei et al. Observation of topological polaritons and photonic magic angles in twisted van der Waals bi-layers. Nature, 2020, 582, 209–213.(4)Xue Tianyu et al. Ultrasensitive detection of miRNA with an antimonene-based surface plasmon resonance sensor. Nat. Commun., 2019, 10, 28.(5)Wu Yingjie et al. Chemical switching of low-loss phonon polaritons in α-MoO3 by hydrogen intercalation. Nat. Commun., 2020, 11, 2646.(6)Hu Guangwei et al. Coherent steering of nonlinear chiral valley photons with a synthetic Au–WS2 metasurface. Nat. Photon., 2019, 13, 467-472.(7)Wang Zhuo et al. Giant photoluminescence enhancement in tungsten-diselenide–gold plasmonic hybrid structures. Nat. Commun., 2016, 7.(8)Hu Guangwei et al. Moiré Hyperbolic Metasurfaces. Nano Lett., 2020, 20, 3217–3224.
