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傅里葉紅外光譜助力重要成果,！二維過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔锕怆娮訉W(xué)新進(jìn)展
文章名稱(chēng)：Nano-spectroscopy of excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides
期刊名稱(chēng)：Nature Communications IF 14.7
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28117-x
【引言】
二維過(guò)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(lèi)材料中展示出強(qiáng)大的結(jié)合能和顯著的振蕩強(qiáng)度,，因此成為了研究的熱點(diǎn)。然而,，傳統(tǒng)的光學(xué)方法受限于衍射極限,，無(wú)法對(duì)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(píng)估這些材料在實(shí)際應(yīng)用中的潛力,。特別是在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,，激子對(duì)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(guò)去的研究主要依賴(lài)遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)難以深入納米尺度進(jìn)行觀測(cè),，嚴(yán)重阻礙了科研人員對(duì)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(tuán)隊(duì)借助Neaspec的超高分辨散射式近場(chǎng)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(jí)薄的過(guò)渡金屬二硫化物的研究中，研究團(tuán)隊(duì)不僅實(shí)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(cè)到激子光譜,。這項(xiàng)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(guò)介電屏蔽調(diào)控激子特性的新方法,。在對(duì)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(duì)激子行為有顯著影響,。此外,，通過(guò)對(duì)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(duì)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(cè)量激子的示意圖,。b AFM探針掃過(guò)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(chǎng)圖像結(jié)果。
圖2. a 歸一化散射振幅的代表性近場(chǎng)圖像,。b 歸一化相位的近場(chǎng)圖像,。c, d WSe?單層的歸一化近場(chǎng)振幅和相位光譜(數(shù)據(jù)點(diǎn))。e 通過(guò)(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(diǎn)),。c在激發(fā)能量為1.52eV時(shí)拍攝的振幅近場(chǎng)圖像。d,e沿(c)中顯示的線的近場(chǎng)振幅和相位演變,。
圖4. a,b歸一化振幅和相位的近場(chǎng)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(diǎn))。e中藍(lán)色的垂直虛線和實(shí)線分別用來(lái)標(biāo)示從點(diǎn)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(guò)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(kāi)辟了調(diào)控激子的新途徑,。通過(guò)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(tuán)隊(duì)對(duì)介電屏蔽的影響有了更為深刻的認(rèn)識(shí),。
這一研究成果為未來(lái)光電子學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),，有望推動(dòng)更高效、更小型的器件研發(fā),。同時(shí),，其在材料科學(xué)和設(shè)備設(shè)計(jì)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(chǎng)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(chǎng)光學(xué)圖像,，具備納米尺度的激子光譜解析能力,，在推動(dòng)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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