量子隧穿高速纳米激子调制器，Nature子刊！ 扫描探针显微镜控制器助力纳米光电器件新成果

发布日期：2024-12-05

近日，由韩国浦项科技大学（POSTECH）物理学系的Hyeongwoo Lee和Sujeong Kim等人提出了一种新型的量子隧穿高速纳米激子调制器，并利用RHK公司研发的扫描探针显微镜控制器-R9 Plus自主搭建了相关测量装置，实现了在高达8 MHz频率下的激子-三重子互变，为纳米光电器件的发展带来新突破。该成果以“Quantum tunneling high-speed nano-excitonic modulator”为题发表于《Nature Communications》上。

a)量子隧穿纳米等离子体腔和高速激子-三重子转换示意图。

b) MoS2单层与等离子体Au尖端接触的能带图。

c) 结合自相关测量装置的量子隧穿纳米等离子体腔（QNC）原理图。

本文中作者将传统的光谱与自制的shear-force AFM 系统相结合，利用扫描探针显微镜控制器-R9 Plus准确控制针尖和样品之间的距离，其中Au 尖端由优化的电化学蚀刻工艺制成，被固定在谐振频率为 32.768 kHz 的石英音叉上。同时，为了电场模块能够顺利构建量子隧穿纳米等离子体腔，针尖和样品均与函数发生器建立电连接。通过在针尖和样品之间施加电位差的方式，成功在两者之间感应出局部电场，并利用基于R9 Plus的STM技术读取了隧穿电流。由此可见，本文作者设计搭建的表征平台充分展现了RHK公司SPM控制器的灵活性和兼容性。

图文展示：

量子隧穿纳米等离子体腔QNC中光场和电势的空间分布

a. 当尖端与HfO₂的距离为2 nm时，有（右）和没有（左）HfO₂层时光场强度 |EZ|² 的分布。

b. 不同尖端-HfO₂距离下在xy平面内的 |EZ|² 分布。尖端-样品距离表示为d。横截面视图的z位置沿（a）中的白色虚线（MoS₂单层）固定。

c. 当d = 2 nm时，在尖端施加直流偏压后，有（右）和没有（左）HfO₂层时电势的分布。

d. 由（a）和（c）中的白色虚线得出的光场强度 |EZ|²（黑色虚线）和电势（蓝色填充区域）的分布轮廓。

通过光和电控制实现纳米级激子-三重子exciton-trion相互转换

a. 二硫化钼（MoS₂）单层的光致发光（PL）光谱随尖端-样品距离变化的等高线图。

b. 由（a）得出的X0（红色）和X-（蓝色）发射强度随距离的变化。

c. 当尖端-样品距离小于3 nm（量子隧穿区域）时，MoS₂单层的PL光谱随Vtip的变化。

d. 当金尖端上的VtipDC为 +10V（顶部）、0V（中部）和 -10V（底部）时，MoS₂单层的洛伦兹拟合PL光谱。（a）和（c）中的黑色虚线表示X0和X-的能量。

激子-三重子exciton-trion高速电调制的自相关测量

a. 描绘在二硫化钼（MoS₂）单层中，随着调制幅度极性不同，激子行为改变的示意图。左图和右图分别表示向X-主导状态和X0主导状态的转变。

b. 在固定幅度为 +5V（X0调制）和激发功率约为150μW的情况下，不同调制频率下电调制光致发光强度的测量符合计数。

c. 在激发功率约为3.5mW时，X-转换（ - 5V，蓝色）和X0转换（ + 5V，红色）的高速电调制。τ和VtipAC分别代表激子调制周期和金尖端上的交流偏压。

本研究展示了量子隧穿纳米等离子体腔在观测高速光电现象及其电调制方面的潜力和多功能性。实验研究，包括纳米级静电掺杂和对纳米光电特性的亚衍射极限分析，为纳米尺度行为提供了全面的见解。作者的研究延伸到了对激子准粒子的高速电调制，推动了各种利用修饰复合动力学、非线性效应、谷极化和输运动力学的纳米光电器件平台的发展，为实现超快纳米激子调制器开辟新的途径。

利器介绍：

为满足用户的需求，RHK公司的扫描探针显微镜控制器不断进阶，其R9 Plus已成功升级至R10。全新的 R10 秉持更为前沿的模块化设计理念，旨在满足研究人员更高的定制要求。R10可提供多达2个超高速ADC、2个超高速DAC、6个锁相放大器、2个锁相环。

用户现场安装的R10控制器、高压放大器、压电陶瓷马达控制器实物图

性能升级：

> 全新的FPGA固件构架地提高了配置灵活性

> 对于测量提供了60多个可用的数据通道

> 数据流和扫描速度均提高5倍

> 优化的高压输出电路板，噪声水平降低到R9控制器的1/4

> 两个扫描探针控制系统

> 可设置任意密度的网格点进行图谱测量

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