光譜學(xué)在材料科學(xué)和二維材料特性研究中發(fā)揮著重要作用。拉曼光譜和二次諧波光譜揭示了材料的結(jié)構(gòu)，需要使用科學(xué)光譜系統(tǒng)進(jìn)行靈敏檢測(cè)。

2D 材料是一類可以以原子級(jí)薄的結(jié)晶層(低至單原子層厚度)生產(chǎn)的材料。石墨烯、過渡金屬二硫?qū)倩锖推渌S材料已被證明具有獨(dú)特的物理特性，這使得它們對(duì)開發(fā)新型增強(qiáng)型電氣和光電器件具有吸引力。在過去的十年中，研究人員還開始構(gòu)建二維材料的層狀結(jié)構(gòu)(有時(shí)稱為范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu))，以構(gòu)建用于研究新物理效應(yīng)或?qū)嶋H應(yīng)用的新設(shè)備。要考慮將其用于新的、有趣的應(yīng)用，需要詳細(xì)了解各種材料。

維爾紐斯大學(xué)(立陶宛)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(美國)的研究人員正在研究一類稱為硫代磷酸鹽的材料，其鐵電特性以及這些特性在二維范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的利用。與鐵磁材料類似，鐵電材料可以具有可隨電場(chǎng)改變的定向永久電極化。鐵電行為與溫度相關(guān)(溫度低于有序發(fā)生的轉(zhuǎn)變溫度)，對(duì)于硫代磷酸鹽，它也可以作為厚度的函數(shù)進(jìn)行研究，其中材料可能更喜歡鐵電有序或反鐵電有序。

納米級(jí)鐵電域和反鐵電域也可以共存。研究人員有興趣準(zhǔn)確了解硫代磷酸鹽在納米尺度上的特性，以“幫助確定這些材料在范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用的可能機(jī)制”。

該團(tuán)隊(duì)使用壓電響應(yīng)力顯微鏡(類似于原子力顯微鏡，但對(duì)電極化敏感)來表征硫代磷酸鹽，但觀察結(jié)果得到敏感拉曼光譜和二次諧波發(fā)生光譜作為溫度函數(shù)的支持。光譜一直是表征二維材料結(jié)構(gòu)及其晶格中電子和原子相互作用的主要表征工具之一。拉曼光譜和二次諧波產(chǎn)生光譜都對(duì)材料的結(jié)構(gòu)敏感。拉曼測(cè)量來自晶格振動(dòng)模式的非彈性散射，而二次諧波的存在表明反演對(duì)稱性的破壞，這意味著鐵電材料的探測(cè)體積中存在某種形式的有序性。

對(duì)于拉曼光譜，研究人員使用 532 nm 激光進(jìn)行激發(fā)，功率保持在 100 μW 的低功率。研究材料時(shí)，使用低激光功率通常很重要，以避免加熱樣品造成的影響或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。然而，信號(hào)水平較低，需要對(duì)拉曼散射光進(jìn)行靈敏檢測(cè)。對(duì)于 SHG，使用 800nm 和 80MHz 重復(fù)頻率下的 50fs 以及樣品上的 0.1W 能量進(jìn)行激發(fā)。在這兩種情況下，適當(dāng)?shù)臑V光片都會(huì)阻擋激發(fā)波長的散射光。

在這兩種情況下，均使用焦距為 300mm 的SpectraPro光譜儀和PIXIS 相機(jī)進(jìn)行光譜檢測(cè)。研究人員利用該系統(tǒng)的能力來適應(yīng)各種實(shí)驗(yàn)條件。光譜儀轉(zhuǎn)塔裝有多個(gè)光柵，以優(yōu)化任一測(cè)量的分辨率和光柵效率。科學(xué)CCD相機(jī)適合檢測(cè)高靈敏度的超低光信號(hào)和/或需要高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)拉曼和SHG測(cè)量的條件。

審核編輯 黃宇