Surface phonon polaritons (SPhPs) in van der Waals (vdW) materials are of great interest in fundamental and applied research fields. Probing the characteristics of vdW SPhPs at cryogenic temperatures is an essential task for their implementation in low-temperature physics. However, the most commonly used characterization technique of vdW SPhPs—scattering-type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) operating in a tapping mode (an intermittent-contact mode)—can be problematic at low temperatures because the sample being tested may become brittle and fragile. Therefore, high fracture toughness is desired for the samples under intermittent-contact s-SNOM scanning at low temperatures. In this work, by taking α-phase molybdenum trioxide (α-MoO3) as an example, we first confirm the potential surface deterioration induced by tip-sample interactions at low temperatures. Then, we propose to use few-layer hexagonal boron nitride as a mechanically tough yet optically passive cladding layer to enhance the surface stability of α-MoO3. Finally, we demonstrate the validity of our surface reinforcement strategy by probing the previously unexplored temperature dependence of SPhPs within the third Reststrahlen band of α-MoO3. Our method allows a sustained operation of tapping mode s-SNOM at cryogenic temperatures with negligible effect on intrinsic properties of SPhPs.

1.
2.
A.
Huber
,
N.
Ocelic
,
D.
Kazantsev
, and
R.
Hillenbrand
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
081103
(
2005
).
3.
A. J.
Huber
,
B.
Deutsch
,
L.
Novotny
, and
R.
Hillenbrand
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
203104
(
2008
).
4.
A. J.
Huber
,
N.
Ocelic
, and
R.
Hillenbrand
,
J. Microsc.
229
,
389
(
2008
).
5.
X.
Chen
,
D.
Hu
,
R.
Mescall
,
G.
You
,
D. N.
Basov
,
Q.
Dai
, and
M.
Liu
,
Adv. Mater.
31
,
1804774
(
2019
).
6.
W.
Ma
,
G.
Hu
,
D.
Hu
,
R.
Chen
,
T.
Sun
,
X.
Zhang
,
Q.
Dai
,
Y.
Zeng
,
A.
Alù
,
C.
Qiu
, and
P.
Li
,
Nature
596
,
362
(
2021
).
7.
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
, and
D. N.
Basov
,
Science
343
,
1125
(
2014
).
8.
E.
Yoxall
,
M.
Schnell
,
A. Y.
Nikitin
,
O.
Txoperena
,
A.
Woessner
,
M. B.
Lundeberg
,
F.
Casanova
,
L. E.
Hueso
,
F. H. L.
Koppens
, and
R.
Hillenbrand
,
Nat. Photonics
9
,
674
(
2015
).
9.
P.
Li
,
I.
Dolado
,
F. J.
Alfaro-Mozaz
,
F.
Casanova
,
L. E.
Hueso
,
S.
Liu
,
J. H.
Edgar
,
A. Y.
Nikitin
,
S.
Vélez
, and
R.
Hillenbrand
,
Science
359
,
892
(
2018
).
10.
W.
Ma
,
P.
Alonso-González
,
S.
Li
,
A. Y.
Nikitin
,
J.
Yuan
,
J.
Martín-Sánchez
,
J.
Taboada-Gutiérrez
,
I.
Amenabar
,
P.
Li
,
S.
Vélez
,
C.
Tollan
,
Z.
Dai
,
Y.
Zhang
,
S.
Sriram
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
S.
Lee
,
R.
Hillenbrand
, and
Q.
Bao
,
Nature
562
,
557
(
2018
).
11.
Z.
Zheng
,
N.
Xu
,
S. L.
Oscurato
,
M.
Tamagnone
,
F.
Sun
,
Y.
Jiang
,
Y.
Ke
,
J.
Chen
,
W.
Huang
,
W. L.
Wilson
,
A.
Ambrosio
,
S.
Deng
, and
H.
Chen
,
Sci. Adv.
5
,
v8690
(
2019
).
12.
J.
Taboada-Gutiérrez
,
G.
Álvarez-Pérez
,
J.
Duan
,
W.
Ma
,
K.
Crowley
,
I.
Prieto
,
A.
Bylinkin
,
M.
Autore
,
H.
Volkova
,
K.
Kimura
,
T.
Kimura
,
M. H.
Berger
,
S.
Li
,
Q.
Bao
,
X. P. A.
Gao
,
I.
Errea
,
A. Y.
Nikitin
,
R.
Hillenbrand
,
J.
Martín-Sánchez
, and
P.
Alonso-González
,
Nat. Mater.
19
,
964
(
2020
).
13.
J. D.
Caldwell
,
L.
Lindsay
,
V.
Giannini
,
I.
Vurgaftman
,
T. L.
Reinecke
,
S. A.
Maier
, and
O. J.
Glembocki
,
Nanophotonics
4
,
44
(
2015
).
14.
D. N.
Basov
,
M. M.
Fogler
, and
F. J.
García De Abajo
,
Science
354
,
g1992
(
2016
).
15.
T.
Low
,
A.
Chaves
,
J. D.
Caldwell
,
A.
Kumar
,
N. X.
Fang
,
P.
Avouris
,
T. F.
Heinz
,
F.
Guinea
,
L.
Martin-Moreno
, and
F.
Koppens
,
Nat. Mater.
16
,
182
(
2017
).
16.
J. D.
Caldwell
,
I.
Aharonovich
,
G.
Cassabois
,
J. H.
Edgar
,
B.
Gil
, and
D. N.
Basov
,
Nat. Rev. Mater.
4
,
552
(
2019
).
17.
D. N.
Basov
,
A.
Asenjo-Garcia
,
P. J.
Schuck
,
X.
Zhu
, and
A.
Rubio
,
Nanophotonics
10
,
549
(
2021
).
18.
K. S.
Novoselov
,
D.
Jiang
,
F.
Schedin
,
T. J.
Booth
,
V. V.
Khotkevich
,
S. V.
Morozov
, and
A. K.
Geim
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
10451
(
2005
).
19.
A. K.
Geim
and
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
(
2013
).
20.
K. S.
Novoselov
,
A.
Mishchenko
,
A.
Carvalho
, and
A. H.
Castro Neto
,
Science
353
,
461
(
2016
).
21.
S.
Dai
,
W.
Fang
,
N.
Rivera
,
Y.
Stehle
,
B.
Jiang
,
J.
Shen
,
R. Y.
Tay
,
C. J.
Ciccarino
,
Q.
Ma
,
D.
Rodan-Legrain
,
P.
Jarillo-Herrero
,
E. H. T.
Teo
,
M. M.
Fogler
,
P.
Narang
,
J.
Kong
, and
D. N.
Basov
,
Adv. Mater.
31
,
1806603
(
2019
).
22.
N.
Li
,
X.
Guo
,
X.
Yang
,
R.
Qi
,
T.
Qiao
,
Y.
Li
,
R.
Shi
,
Y.
Li
,
K.
Liu
,
Z.
Xu
,
L.
Liu
,
F. J.
García De Abajo
,
Q.
Dai
,
E.
Wang
, and
P.
Gao
,
Nat. Mater.
20
,
43
(
2021
).
23.
N.
Rivera
,
T.
Christensen
, and
P.
Narang
,
Nano Lett.
19
,
2653
(
2019
).
24.
N.
Rivera
and
I.
Kaminer
,
Nat. Rev. Phys.
2
,
538
(
2020
).
25.
N.
Rivera
,
G.
Rosolen
,
J. D.
Joannopoulos
,
I.
Kaminer
, and
M.
Soljačić
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
13607
(
2017
).
26.
B.
Song
,
A.
Fiorino
,
E.
Meyhofer
, and
P.
Reddy
,
AIP Adv.
5
,
53503
(
2015
).
27.
B.
Zhao
,
B.
Guizal
,
Z. M.
Zhang
,
S.
Fan
, and
M.
Antezza
,
Phys. Rev. B
95
,
245437
(
2017
).
28.
S.
Huberman
,
R. A.
Duncan
,
K.
Chen
,
B.
Song
,
V.
Chiloyan
,
Z.
Ding
,
A. A.
Maznev
,
G.
Chen
, and
K. A.
Nelson
,
Science
364
,
375
(
2019
).
29.
J.
Sloan
,
N.
Rivera
,
J. D.
Joannopoulos
, and
M.
Soljačić
,
Phys. Rev. Lett.
127
,
53603
(
2021
).
30.
M.
Autore
,
P.
Li
,
I.
Dolado
,
F. J.
Alfaro-Mozaz
,
R.
Esteban
,
A.
Atxabal
,
F.
Casanova
,
L. E.
Hueso
,
P.
Alonso-González
,
J.
Aizpurua
,
A. Y.
Nikitin
,
S.
Vélez
, and
R.
Hillenbrand
,
Light
7
,
17172
(
2018
).
31.
A.
Bylinkin
,
M.
Schnell
,
M.
Autore
,
F.
Calavalle
,
P.
Li
,
J.
Taboada-Gutièrrez
,
S.
Liu
,
J. H.
Edgar
,
F.
Casanova
,
L. E.
Hueso
,
P.
Alonso-Gonzalez
,
A. Y.
Nikitin
, and
R.
Hillenbrand
,
Nat. Photonics
15
,
197
(
2021
).
32.
G.
Plunien
,
R.
Schützhold
, and
G.
Soff
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
1882
(
2000
).
33.
C. M.
Wilson
,
G.
Johansson
,
A.
Pourkabirian
,
M.
Simoen
,
J. R.
Johansson
,
T.
Duty
,
F.
Nori
, and
P.
Delsing
,
Nature
479
,
376
(
2011
).
34.
T.
Gokus
,
A.
Huber
, and
M.
Eisele
, paper presented at the
2018 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
, San Jose, CA, USA,
2018
.
35.
W.
Luo
,
M.
Boselli
,
J.
Poumirol
,
I.
Ardizzone
,
J.
Teyssier
,
D.
van der Marel
,
S.
Gariglio
,
J.
Triscone
, and
A. B.
Kuzmenko
,
Nat. Commun.
10
,
2774
(
2019
).
36.
H. U.
Yang
,
E.
Hebestreit
,
E. E.
Josberger
, and
M. B.
Raschke
,
Rev. Sci. Instrum.
84
,
23701
(
2013
).
37.
G. X.
Ni
,
A. S.
McLeod
,
Z.
Sun
,
L.
Wang
,
L.
Xiong
,
K. W.
Post
,
S. S.
Sunku
,
B. Y.
Jiang
,
J.
Hone
,
C. R.
Dean
,
M. M.
Fogler
, and
D. N.
Basov
,
Nature
557
,
530
(
2018
).
38.
D. J.
Rizzo
,
B. S.
Jessen
,
Z.
Sun
,
F. L.
Ruta
,
J.
Zhang
,
J.
Yan
,
L.
Xian
,
A. S.
McLeod
,
M. E.
Berkowitz
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
S. E.
Nagler
,
D. G.
Mandrus
,
A.
Rubio
,
M. M.
Fogler
,
A. J.
Millis
,
J. C.
Hone
,
C. R.
Dean
, and
D. N.
Basov
,
Nano Lett.
20
,
8438
(
2020
).
39.
W.
Zhao
,
H.
Li
,
X.
Xiao
,
Y.
Jiang
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
A.
Zettl
, and
F.
Wang
,
Nano Lett.
21
,
3106
(
2021
).
40.
Y.
Dong
,
L.
Xiong
,
I. Y.
Phinney
,
Z.
Sun
,
R.
Jing
,
A. S.
McLeod
,
S.
Zhang
,
S.
Liu
,
F. L.
Ruta
,
H.
Gao
,
Z.
Dong
,
R.
Pan
,
J. H.
Edgar
,
P.
Jarillo-Herrero
,
L. S.
Levitov
,
A. J.
Millis
,
M. M.
Fogler
,
D. A.
Bandurin
, and
D. N.
Basov
,
Nature
594
,
513
(
2021
).
41.
W.
Zhao
,
S.
Zhao
,
H.
Li
,
S.
Wang
,
S.
Wang
,
M. I. B.
Utama
,
S.
Kahn
,
Y.
Jiang
,
X.
Xiao
,
S.
Yoo
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
A.
Zettl
, and
F.
Wang
,
Nature
594
,
517
(
2021
).
42.
G.
Ni
,
A. S.
McLeod
,
Z.
Sun
,
J. R.
Matson
,
C. F. B.
Lo
,
D. A.
Rhodes
,
F. L.
Ruta
,
S. L.
Moore
,
R. A.
Vitalone
,
R.
Cusco
,
L.
Artus
,
L.
Xiong
,
C. R.
Dean
,
J. C.
Hone
,
A. J.
Millis
,
M. M.
Fogler
,
J. H.
Edgar
,
J. D.
Caldwell
, and
D. N.
Basov
,
Nano Lett.
21
,
5767
(
2021
).
43.
M.
Yu
,
T.
Kowalewski
, and
R. S.
Ruoff
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
1456
(
2000
).
44.
K.
Bian
,
C.
Gerber
,
A. J.
Heinrich
,
D. J.
Müller
,
S.
Scheuring
, and
Y.
Jiang
,
Nat. Rev. Methods Primers
1
,
36
(
2021
).
45.
R.
García
and
A.
San Paulo
,
Phys. Rev. B
60
,
4961
(
1999
).
46.
S. C.
Fain
,
K. A.
Barry
,
M. G.
Bush
,
B.
Pittenger
, and
R. N.
Louie
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
930
(
2000
).
47.
S.
Hu
and
A.
Raman
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
123106
(
2007
).
48.
O. P.
Behrend
,
F.
Oulevey
,
D.
Gourdon
,
E.
Dupas
,
A. J.
Kulik
,
G.
Gremaud
, and
N. A.
Burnham
,
Appl. Phys. A
66
,
S219
(
1998
).
49.
A. W.
Magnusson
and
W. M.
Baldwin
,
J. Mech. Phys. Solids
5
,
172
(
1957
).
50.
D. A.
Wigley
,
Mechanical Properties of Materials at Low Temperatures
(
Springer
,
Boston
,
1971
).
51.
A.
Lupinacci
,
J.
Kacher
,
A. A.
Shapiro
,
P.
Hosemann
, and
A. M.
Minor
,
J. Mater. Res.
36
,
1751
(
2021
).
52.
H.
Kim
and
S.
Roberts
,
J. Am. Ceram. Soc.
77
,
3099
(
1994
).
53.
K. S.
Chan
,
Metall. Mater. Trans. A
34
,
2315
(
2003
).
54.
E.
Frutos
,
J. L.
González-Carrasco
, and
T.
Polcar
,
J. Eur. Ceram. Soc.
36
,
3235
(
2016
).
55.
S. P.
Sun
,
J. L.
Zhu
,
S.
Gu
,
X. P.
Li
,
W. N.
Lei
,
Y.
Jiang
,
D. Q.
Yi
, and
G. H.
Chen
,
Appl. Surf. Sci.
467–468
,
753
(
2019
).
56.
Y.
Yang
,
Z.
Song
,
G.
Lu
,
Q.
Zhang
,
B.
Zhang
,
B.
Ni
,
C.
Wang
,
X.
Li
,
L.
Gu
,
X.
Xie
,
H.
Gao
, and
J.
Lou
,
Nature
594
,
57
(
2021
).
57.
C. H.
Perry
,
G.
Rupprecht
, and
R.
Geick
,
Phys. Rev.
146
,
543
(
1966
).
58.
G.
Álvarez-Pérez
,
T. G.
Folland
,
I.
Errea
,
J.
Taboada-Gutiérrez
,
J.
Duan
,
J.
Martín-Sánchez
,
A. I. F.
Tresguerres-Mata
,
J. R.
Matson
,
A.
Bylinkin
,
M.
He
,
W.
Ma
,
Q.
Bao
,
J. I.
Martín
,
J. D.
Caldwell
,
A. Y.
Nikitin
, and
P.
Alonso-González
,
Adv. Mater.
32
,
1908176
(
2020
).
59.
L.
Wang
,
I.
Meric
,
P. Y.
Huang
,
Q.
Gao
,
Y.
Gao
,
H.
Tran
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
L. M.
Campos
,
D. A.
Muller
,
J.
Guo
,
P.
Kim
,
J.
Hone
,
K. L.
Shepard
, and
C. R.
Dean
,
Science
342
,
614
(
2013
).
60.
N. C.
Passler
and
A.
Paarmann
,
J. Opt. Soc. Am. B
34
,
2128
(
2017
).
61.
J.
Kischkat
,
S.
Peters
,
B.
Gruska
,
M.
Semtsiv
,
M.
Chashnikova
,
M.
Klinkmüller
,
O.
Fedosenko
,
S.
Machulik
,
A.
Aleksandrova
,
G.
Monastyrskyi
,
Y.
Flores
, and
W.
Ted Masselink
,
Appl. Opt.
51
,
6789
(
2012
).
62.
G. X.
Ni
,
L.
Wang
,
M. D.
Goldflam
,
M.
Wagner
,
Z.
Fei
,
A. S.
McLeod
,
M. K.
Liu
,
F.
Keilmann
,
B.
Özyilmaz
,
A. H. C.
Neto
,
J.
Hone
,
M. M.
Fogler
, and
D. N.
Basov
,
Nat. Photonics
10
,
244
(
2016
).
63.
X.
Sun
,
J.
Shi
,
M. A.
Washington
, and
T.
Lu
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
151603
(
2017
).
64.
H. F.
Hess
,
E.
Betzig
,
T. D.
Harris
,
L. N.
Pfeiffer
, and
K. W.
West
,
Science
264
,
1740
(
1994
).
65.
J. M.
Atkin
,
S.
Berweger
,
A. C.
Jones
, and
M. B.
Raschke
,
Adv. Phys.
61
,
745
(
2012
).
66.
M.
Liu
,
A. J.
Sternbach
, and
D. N.
Basov
,
Rep. Prog. Phys.
80
,
014501
(
2017
).
67.
A.
Tomadin
,
A.
Principi
,
J. C. W.
Song
,
L. S.
Levitov
, and
M.
Polini
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
87401
(
2015
).
68.
J.
Lagois
and
B.
Fischer
,
Phys. Rev. Lett.
36
,
680
(
1976
).
69.
F.
DeMartini
,
M.
Colocci
,
S. E.
Kohn
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
38
,
1223
(
1977
).
70.
L.
Schultheis
and
J.
Lagois
,
Solid State Commun.
44
,
1557
(
1982
).
71.
M. E.
Berkowitz
,
B. S. Y.
Kim
,
G.
Ni
,
A. S.
McLeod
,
C. F. B.
Lo
,
Z.
Sun
,
G.
Gu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
A. J.
Millis
,
J. C.
Hone
,
M. M.
Fogler
,
R. D.
Averitt
, and
D. N.
Basov
,
Nano Lett.
21
,
308
(
2021
).
72.
R.
Macêdo
and
R. E.
Camley
,
Phys. Rev. B
99
,
14437
(
2019
).
73.
J.
Sloan
,
N.
Rivera
,
J. D.
Joannopoulos
,
I.
Kaminer
, and
M.
Soljačić
,
Phys. Rev. B
100
,
235453
(
2019
).
74.
P.
Sivarajah
,
A.
Steinbacher
,
B.
Dastrup
,
J.
Lu
,
M.
Xiang
,
W.
Ren
,
S.
Kamba
,
S.
Cao
, and
K. A.
Nelson
,
J. Appl. Phys.
125
,
213103
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.