Probing Hyperbolic Shear Polaritons in β-Ga 2 O 3 Nanostructures Using STEM-EELS.

Publisher: Wiley-VCH Country of Publication: Germany NLM ID: 9885358 Publication Model: Print-Electronic Cited Medium: Internet ISSN: 1521-4095 (Electronic) Linking ISSN: 09359648 NLM ISO Abbreviation: Adv Mater Subsets: PubMed not MEDLINE; MEDLINE

Publication: Sept. 3, 1997- : Weinheim : Wiley-VCH
Original Publication: Deerfield Beach, FL : VCH Publishers, 1989-

Phonon polaritons, quasiparticles arising from strong coupling between electromagnetic waves and optical phonons, have potential for applications in subdiffraction imaging, sensing, thermal conduction enhancement, and spectroscopy signal enhancement. A new class of phonon polaritons in low-symmetry monoclinic crystals, hyperbolic shear polaritons (HShPs), have been verified recently in β-Ga 2 O 3 by free electron laser (FEL) measurements. However, detailed behaviors of HShPs in β-Ga 2 O 3 nanostructures still remain unknown. Here, by using monochromatic electron energy loss spectroscopy in conjunction with scanning transmission electron microscopy, the experimental observation of multiple HShPs in β-Ga 2 O 3 in the mid-infrared (MIR) and far-infrared (FIR) ranges is reported. HShPs in various β-Ga 2 O 3 nanorods and a β-Ga 2 O 3 nanodisk are excited. The frequency-dependent rotation and shear effect of HShPs reflect on the distribution of EELS signals. The propagation and reflection of HShPs in nanostructures are clarified by simulations of electric field distribution. These findings suggest that, with its tunable broad spectral HShPs, β-Ga 2 O 3 is an excellent candidate for nanophotonic applications.
(© 2024 Wiley‐VCH GmbH.)

J. D. Caldwell, A. V. Kretinin, Y. G. Chen, V. Giannini, M. M. Fogler, Y. Francescato, C. T. Ellis, J. G. Tischler, C. R. Woods, A. J. Giles, M. Hong, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. A. Maier, K. S. Novoselov, Nat. Commun. 2014, 5, 5221.
S. Dai, Z. Fei, Q. Ma, A. S. Rodin, M. Wagner, A. S. McLeod, M. K. Liu, W. Gannett, W. Regan, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Thiemens, G. Dominguez, A. H. C. Neto, A. Zettl, F. Keilmann, P. Jarillo‐Herrero, M. M. Fogler, D. N. Basov, Science 2014, 343, 1125.
T. Feurer, N. S. Stoyanov, D. W. Ward, J. C. Vaughan, E. R. Statz, K. A. Nelson, Ann. Rev. Mater. Res. 2007, 37, 317.
D. L. Mills, E. Burstein, Rep. Prog. Phys. 1974, 37, 817.
D. N. Basov, M. M. Fogler, F. J. G. de Abajo, Science 2016, 354, aag1992.
J. D. Caldwell, L. Lindsay, V. Giannini, I. Vurgaftman, T. L. Reinecke, S. A. Maier, O. J. Glembocki, Nanophotonics 2015, 4, 44.
Z. Jacob, Nat. Mater. 2014, 13, 1081.
T. Low, A. Chaves, J. D. Caldwell, A. Kumar, N. X. Fang, P. Avouris, T. F. Heinz, F. Guinea, L. Martin‐Moreno, F. Koppens, Nat. Mater. 2017, 16, 182.
L. Tranchant, S. Harnamura, J. Ordonez‐Miranda, T. Yabuki, A. Vega‐Flick, F. Cervantes‐Alvarez, J. J. Alvarado‐Gil, S. Volz, K. Miyazaki, Nano Lett. 2019, 19, 6924.
Y. Wu, J. Ordonez‐Miranda, S. Gluchko, R. Anufriev, D. D. Meneses, L. Del Campo, S. Volz, M. Nomura, Sci. Adv. 2020, 6, eabb4461.
J. Martin‐Sanchez, J. H. Duan, J. Taboada‐Gutierrez, G. Alvarez‐Perez, K. V. Voronin, I. Prieto, W. L. Ma, Q. L. Bao, V. S. Volkov, R. Hillenbrand, A. Y. Nikitin, P. Alonso‐Gonzalez, Sci. Adv. 2021, 7, eabj0127.
N. Li, X. D. Guo, X. X. Yang, R. S. Qi, T. Y. Qiao, Y. F. Li, R. C. Shi, Y. H. Li, K. H. Liu, Z. Xu, L. Liu, F. J. G. de Abajo, Q. Dai, E. G. Wang, P. Gao, Nat. Mater. 2021, 20, 43.
W. K. Dong, R. S. Qi, T. S. Liu, Y. Li, N. Li, Z. Hua, Z. R. Gao, S. Y. Zhang, K. H. Liu, J. D. Guo, P. Gao, Adv. Mater. 2020, 32, 2002014.
W. L. Ma, P. Alonso‐Gonzalez, S. J. Li, A. Y. Nikitin, J. Yuan, J. Martin‐Sanchez, J. Taboada‐Gutierrez, I. Amenabar, P. N. Li, S. Velez, C. Tollan, Z. G. Dai, Y. P. Zhang, S. Sriram, K. Kalantar‐Zadeh, S. T. Lee, R. Hillenbrand, Q. L. Bao, Nature 2018, 562, 557.
Z. B. Zheng, J. N. Chen, Y. Wang, X. M. Wang, X. B. Chen, P. Y. Liu, J. B. Xu, W. G. Xie, H. J. Chen, S. Z. Deng, N. S. Xu, Adv. Mater. 2018, 30, 1705318.
F. C. B. Maia, B. T. O'Callahan, A. R. Cadore, I. D. Barcelos, L. C. Campos, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Deneke, A. Belyanin, M. B. Raschke, R. O. Freitas, Nano Lett. 2019, 19, 708.
H. Salihoglu, V. Iyer, T. Taniguchi, K. Watanabe, P. D. Ye, X. F. Xu, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1905830.
N. C. Passler, X. Ni, G. Hu, J. R. Matson, G. Carini, M. Wolf, M. Schubert, A. Alo, J. D. Caldwell, T. G. Folland, A. Paarmann, Nature 2022, 602, 595.
Z. Guo, A. Verma, X. F. Wu, F. Y. Sun, A. Hickman, T. Masui, A. Kuramata, M. Higashiwaki, D. Jena, T. F. Luo, Appl. Phys. Lett. 2015, 106, 111909.
H. Y. He, R. Orlando, M. A. Blanco, R. Pandey, E. Amzallag, I. Baraille, M. Rerat, Phys. Rev. B 2006, 74, 195123.
H. Y. Playford, A. C. Hannon, E. R. Barney, R. I. Walton, Chemistry 2013, 19, 2803.
H. H. Tippins, Phys. Rev. 1965, 140, A316.
E. G. Villora, K. Shimamura, Y. Yoshikawa, T. Ujiie, K. Aoki, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 202120.
J. Q. Wei, K. Kim, F. Liu, P. Wang, X. T. Zheng, Z. Y. Chen, D. Wang, A. Imran, X. Rong, X. L. Yang, F. J. Xu, J. Yang, B. Shen, X. Q. Wang, J. Semicond. 2019, 40, 012802.
J. Q. Wei, F. Liu, X. Rong, T. Wang, L. Y. Yang, R. C. Tao, J. Yang, L. W. Guo, B. Shen, X. Q. Wang, CrystEngComm 2022, 24, 269.
J. Furthmuller, F. Bechstedt, Phys. Rev. B 2016, 93, 115204.
A. Mock, R. Korlacki, C. Briley, V. Darakchieva, B. Monemar, Y. Kumagai, K. Goto, M. Higashiwaki, M. Schubert, Phys. Rev. B 2017, 96, 245205.
C. Sturm, J. Furthmuller, F. Bechstedt, R. Schmidt‐Grund, M. Grundmann, APL Mater. 2015, 3, 106106.
M. Higashiwaki, K. Sasaki, T. Kamimura, M. H. Wong, D. Krishnamurthy, A. Kuramata, T. Masui, S. Yamakoshi, Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 123511.
M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, S. Yamakoshi, Appl. Phys. Lett. 2012, 100, 013504.
M. Higashiwaki, K. Sasaki, H. Murakami, Y. Kumagai, A. Koukitu, A. Kuramata, T. Masui, S. Yamakoshi, Semicond. Sci. Technol. 2016, 31, 034001.
K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, E. G. Villora, K. Shimamura, S. Yamakoshi, Appl. Phys. Express 2012, 5, 035502.
Y. Yuan, W. Hao, W. Mu, Z. Wang, X. Chen, Q. Liu, G. Xu, C. Wang, H. Zhou, Y. Zou, X. Zhao, Z. Jia, J. Ye, J. Zhang, S. Long, X. Tao, R. Zhang, Y. Hao, Fundam. Res. 2021, 1, 697.
D. T. Ha, D. T. Thuy, V. T. Hoa, T. T. T. Van, N. A. Viet, in 41st Vietnam National Conference on Theoretical Physics, Vol. 865 (Eds: T. X. Hoang, H. A. Tuan, V. N. Tuoc), Iop Publishing Ltd, Bristol 2017.
M. Bosman, V. J. Keast, J. L. Garcia‐Munoz, A. J. D'Alfonso, S. D. Findlay, L. J. Allen, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 086102.
O. L. Krivanek, T. C. Lovejoy, N. Dellby, T. Aoki, R. W. Carpenter, P. Rez, E. Soignard, J. T. Zhu, P. E. Batson, M. J. Lagos, R. F. Egerton, P. A. Crozier, Nature 2014, 514, 209.
M. J. Lagos, A. Trugler, U. Hohenester, P. E. Batson, Nature 2017, 543, 529.
T. C. Lovejoy, G. C. Corbin, N. Dellby, M. Hoffman, O. L. Krivanek, Microsc. Microanal. 2018, 24, 446.
M. Varela, S. D. Findlay, A. R. Lupini, H. M. Christen, A. Y. Borisevich, N. Dellby, O. L. Krivanek, P. D. Nellist, M. P. Oxley, L. J. Allen, S. J. Pennycook, Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 095502.
Z. Y. Wang, D. Santhanagopalan, W. Zhang, F. Wang, H. L. L. Xin, K. He, J. C. Li, N. Dudney, Y. S. Meng, Nano Lett. 2016, 16, 3760.
S. Huang, R. Shi, Y. Li, M. Wu, N. Li, J. Du, D. Yu, P. Gao, Zhenkong Kexue Yu Jishu Xuebao 2021, 41, 213.
S. Geller, J. Chem. Phys. 1960, 33, 676.
D. L. Rousseau, R. P. Bauman, S. P. S. Porto, J. Raman Spectrosc. 1981, 10, 253.
M. Schubert, R. Korlacki, S. Knight, T. Hofmann, S. Schoche, V. Darakchieva, E. Janzen, B. Monemar, D. Gogova, Q. T. Thieu, R. Togashi, H. Murakami, Y. Kumagai, K. Goto, A. Kuramata, S. Yamakoshi, M. Higashiwaki, Phys. Rev. B 2016, 93, 125209.
R. S. Qi, R. D. Wang, Y. H. Li, Y. W. Sun, S. L. Chen, B. Han, N. Li, Q. Zhang, X. F. Liu, D. P. Yu, P. Gao, Nano Lett. 2019, 19, 5070.
A. C. Peter, Ultramicroscopy 2017, 180, 104.
L. A. Giannuzzi, F. A. Stevie, Micron 1999, 30, 197.
S. Reyntjens, R. Puers, J. Micromech. Microeng. 2001, 11, 287.
A. Losquin, M. Kociak, ACS Photonics 2015, 2, 1619.
Y. Cao, A. Manjavacas, N. Large, P. Nordlander, ACS Photonics 2015, 2, 369.
Q. Zhang, Q. D. Ou, G. W. Hu, J. Y. Liu, Z. G. Dai, M. S. Fuhrer, Q. L. Bao, C. W. Qiu, Nano Lett. 2021, 21, 3112.
Z. G. Dai, G. W. Hu, G. Y. Si, Q. D. Ou, Q. Zhang, S. Balendhran, F. Rahman, B. Y. Zhang, J. Z. Ou, G. G. Li, A. Alu, C. W. Qiu, Q. L. Bao, Nat. Commun. 2020, 11, 6086.
R. Lingstadt, N. Talebi, M. Hentschel, S. Mashhadi, B. Gompf, M. Burghard, H. Giessen, P. A. van Aken, Commun. Mater. 2021, 2, 5.
K. Dabov, A. Foi, V. Katkovnik, K. Egiazarian, IEEE Trans. Image Process 2007, 16, 2080.
J. H. Zhou, Y. S. Yang, Y. Yang, D. S. Kim, A. Yuan, X. Z. Tian, C. Ophus, F. Sun, A. K. Schmid, M. Nathanson, H. Heinz, Q. An, H. Zeng, P. Ercius, J. W. Miao, Nature 2019, 570, 500.

2022YFA1206700 National Key R&D Program of China; 62104010 National Natural Science Foundation of China; 62374010 National Natural Science Foundation of China; Z200004 Beijing Natural Science Foundation; BJJWZYJH0120191000103 Beijing Outstanding Young Scientist Program

Keywords: electron energy loss spectroscopy; phonon polaritons; β‐Ga2O3

Date Created: 20240220 Latest Revision: 20240509

20240510

10.1002/adma.202204884

38374724