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傅里葉紅外光譜助力重要成果,！二維過渡金屬硫?qū)倩衔锕怆娮訉W(xué)新進(jìn)展
文章名稱：Nano-spectroscopy of excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides
期刊名稱：Nature Communications IF 14.7
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28117-x
【引言】
二維過渡金屬硫?qū)倩衔?TMDs)因其顯著的激子特性在光電子學(xué)中占據(jù)著重要的地位。激子是一種由電子和空穴構(gòu)成的準(zhǔn)粒子,，在這類材料中展示出強大的結(jié)合能和顯著的振蕩強度,，因此成為了研究的熱點。然而,，傳統(tǒng)的光學(xué)方法受限于衍射極限,，無法對納米尺度的激子行為進(jìn)行精細(xì)的空間解析。這一缺陷使得科研人員難以全面評估這些材料在實際應(yīng)用中的潛力,。特別是在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,，激子對外部刺激的響應(yīng)表現(xiàn)出復(fù)雜的異質(zhì)性，進(jìn)一步加大了研究的難度,。此外,，精確理解激子如何受介電屏蔽、層間雜化等環(huán)境因素的影響,，始終是科學(xué)界面臨的一大挑戰(zhàn),。過去的研究主要依賴遠(yuǎn)場光學(xué)技術(shù)，這類技術(shù)難以深入納米尺度進(jìn)行觀測,，嚴(yán)重阻礙了科研人員對激子在非均勻環(huán)境中行為的全面理解,。
近日，哥倫比亞大學(xué)的研究團隊借助Neaspec的超高分辨散射式近場光學(xué)顯微-neaSNOM技術(shù),，成功突破了傳統(tǒng)光學(xué)方法在空間分辨率上的限制,。在原子級薄的過渡金屬二硫化物的研究中，研究團隊不僅實現(xiàn)了高達(dá)20 nm的超高分辨率，而且在如此精細(xì)的尺度下探測到激子光譜,。這項技術(shù)不僅幫助研究人員提取出這些材料復(fù)雜的介電函數(shù),，還揭示了在納米尺度上通過介電屏蔽調(diào)控激子特性的新方法。在對MoSe?/WSe?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究中,，研究人員觀察到激子共振能量發(fā)生紅移,，這一現(xiàn)象直觀地表明了介電環(huán)境對激子行為有顯著影響。此外,，通過對WSe?多層結(jié)構(gòu)的層間雜化效應(yīng)進(jìn)行深入研究,，為激子物理學(xué)的發(fā)展提供了更全面、更入的理解,，也讓科研人員對激子的調(diào)控能力得到了提升,。相關(guān)研究成果以《Nano-spectroscopy of excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides》為題，發(fā)表于SCI期刊《Nature Communications》上,。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. a 利用s-SNOM測量激子的示意圖,。b AFM探針掃過TMD樣品，可以在衍射極限以下研究激子響應(yīng),，并提取納米尺度的介電函數(shù),。c 利用AFM所獲取的TMDs的形貌圖。d, e 在與(c)相同的區(qū)域上,，展示了歸一化散射振幅和相位的近場圖像結(jié)果,。
圖2. a 歸一化散射振幅的代表性近場圖像。b 歸一化相位的近場圖像,。c, d WSe?單層的歸一化近場振幅和相位光譜(數(shù)據(jù)點),。e 通過(c, d)中PDM擬合提取的WSe?單層介電函數(shù)。
圖3. a, b 不同樣品區(qū)域的歸一化振幅和相位光譜(數(shù)據(jù)點),。c在激發(fā)能量為1.52eV時拍攝的振幅近場圖像,。d,e沿(c)中顯示的線的近場振幅和相位演變。
圖4. a,b歸一化振幅和相位的近場圖像,。左圖和右圖分別在1.68eV(接近單層WSe?的激子共振能量)和1.57EV(接近單層MoSe?的激子共振能量)下的表征結(jié)果,。c沿(a和b)中右圖的黑線，單層和異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的歸一化振幅和相位的表征結(jié)果,。d, e WSe?三層結(jié)構(gòu)的歸一化散射振幅和相位光譜(數(shù)據(jù)點),。e中藍(lán)色的垂直虛線和實線分別用來標(biāo)示從點偶極子模型中提取的WSe?單層和WSe?三層結(jié)構(gòu)中的激子能量。
【結(jié)論】
借助Neaspec納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR的s-SNOM功能,，研究人員成功揭示了過渡金屬二硫化物中激子的納米尺度特性,，準(zhǔn)確提取了介電函數(shù)，開辟了調(diào)控激子的新途徑,。通過觀察異質(zhì)結(jié)構(gòu)中激子共振能量的紅移現(xiàn)象,，研究團隊對介電屏蔽的影響有了更為深刻的認(rèn)識,。
這一研究成果為未來光電子學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，有望推動更高效,、更小型的器件研發(fā),。同時，其在材料科學(xué)和設(shè)備設(shè)計上也展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景,。Neaspec的超高分辨散射式近場光學(xué)顯微-neaSNOM技術(shù)突破了傳統(tǒng)光學(xué)分辨率的限制,，提供優(yōu)于10 nm空間分辨率的光譜和近場光學(xué)圖像，具備納米尺度的激子光譜解析能力,，在推動二維材料研究進(jìn)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員提供了全新的研究思路和有力工具,。
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1,、超高分辨散射式近場光學(xué)顯微鏡-neaSNOM2、neaSCOPE納米光譜與成像系統(tǒng)
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