10 nm傅里叶红外光谱助力nat. commun重要成果！二维过渡金属硫属化合物光电子学新进展

发布日期：2025-01-23

文章名称：Nano-spectroscopy of excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides

期刊名称：Nature Communications IF 14.7

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28117-x

【引言】

二维过渡金属硫属化合物（TMDs）因其显著的激子特性在光电子学中占据着重要的地位。激子是一种由电子和空穴构成的准粒子，在这类材料中展示出强大的结合能和显著的振荡强度，因此成为了研究的热点。然而，传统的光学方法受限于衍射极限，无法对纳米尺度的激子行为进行精细的空间解析。这一缺陷使得科研人员难以全面评估这些材料在实际应用中的潜力。特别是在异质结构中，激子对外部刺激的响应表现出复杂的异质性，进一步加大了研究的难度。此外，精确理解激子如何受介电屏蔽、层间杂化等环境因素的影响，始终是科学界面临的一大挑战。过去的研究主要依赖远场光学技术，这类技术难以深入纳米尺度进行观测，严重阻碍了科研人员对激子在非均匀环境中行为的全面理解。

近日，哥伦比亚大学的研究团队借助Neaspec的超高分辨散射式近场光学显微-neaSNOM技术，成功突破了传统光学方法在空间分辨率上的限制。在原子级薄的过渡金属二硫化物的研究中，研究团队不仅实现了高达20 nm的超高分辨率，而且在如此精细的尺度下探测到激子光谱。这项技术不仅帮助研究人员提取出这些材料复杂的介电函数，还揭示了在纳米尺度上通过介电屏蔽调控激子特性的新方法。在对MoSe₂/WSe₂异质结构的研究中，研究人员观察到激子共振能量发生红移，这一现象直观地表明了介电环境对激子行为有显著影响。此外，通过对WSe₂多层结构的层间杂化效应进行深入研究，为激子物理学的发展提供了更全面、更入的理解，也让科研人员对激子的调控能力得到了提升。相关研究成果以《Nano-spectroscopy of excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides》为题，发表于SCI期刊《Nature Communications》上。

【图文导读】

图1. a 利用s-SNOM测量激子的示意图。b AFM探针扫过TMD样品，可以在衍射极限以下研究激子响应，并提取纳米尺度的介电函数。c 利用AFM所获取的TMDs的形貌图。d, e 在与(c)相同的区域上，展示了归一化散射振幅和相位的近场图像结果。

图2. a 归一化散射振幅的代表性近场图像。b 归一化相位的近场图像。c, d WSe₂单层的归一化近场振幅和相位光谱（数据点）。e 通过(c, d)中PDM拟合提取的WSe₂单层介电函数。

图3. a, b 不同样品区域的归一化振幅和相位光谱（数据点）。c在激发能量为1.52eV时拍摄的振幅近场图像。d,e沿(c)中显示的线的近场振幅和相位演变。

图4. a,b归一化振幅和相位的近场图像。左图和右图分别在1.68eV（接近单层WSe₂的激子共振能量）和1.57EV（接近单层MoSe₂的激子共振能量）下的表征结果。c沿(a和b)中右图的黑线，单层和异质双层结构的归一化振幅和相位的表征结果。d, e WSe₂三层结构的归一化散射振幅和相位光谱（数据点）。e中蓝色的垂直虚线和实线分别用来标示从点偶极子模型中提取的WSe₂单层和WSe₂三层结构中的激子能量。

【结论】

借助Neaspec纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR的s-SNOM功能，研究人员成功揭示了过渡金属二硫化物中激子的纳米尺度特性，准确提取了介电函数，开辟了调控激子的新途径。通过观察异质结构中激子共振能量的红移现象，研究团队对介电屏蔽的影响有了更为深刻的认识。

这一研究成果为未来光电子学和纳米光子学领域的发展奠定了坚实的基础，有望推动更高效、更小型的器件研发。同时，其在材料科学和设备设计上也展现出广泛的应用前景。Neaspec的超高分辨散射式近场光学显微-neaSNOM技术突破了传统光学分辨率的限制，提供优于10 nm空间分辨率的光谱和近场光学图像，具备纳米尺度的激子光谱解析能力，在推动二维材料研究进程中发挥了关键作用，为相关领域的科研人员提供了全新的研究思路和有力工具。