Nature Communication:範德華晶體光學各向異性研究取得重要進展

2020-12-05 儀器信息網

引言

範德華晶體，包括石墨烯、氮化硼、過渡金屬硫族化合物等廣受關注的新型二維材料等，具有優良的力學、電學、光學性質，是構築功能可控範德華異質結的基本單元，也是組成下一代高性能光電器件的基礎材料。  

範德華晶體具有層狀結構，在層內由較強的共價鍵相互作用結合，在層間由較弱的範德華力結合。這一層狀結構決定了範德華晶體的各種物理性質具有天然的各向異性，其中，光學各向異性對於新型光電器件的設計和優化至關重要，必須得到準確的表徵。然而，受限於高質量範德華單晶的尺寸，傳統的基於遠場光束反射的光學各向異性表徵方法，如端面反射法、橢偏法等，均不能準確表徵範德華微晶體的光學各向異性。 

成果介紹

日前，中國科學院國家納米科學中心納米表徵實驗室戴慶（Quantum Design中國子公司用戶）研究團隊利用德國neaspec近場光學技術克服了上述範德華晶體有限尺寸導致的困難，成功測量了氮化硼及二硫化鉬的介電常數張量。 

圖1 實驗裝置和近場成像原理示意圖

該團隊首先理論論證了在各向異性範德華納米片中存在尋常及非尋常波導模式，這兩種模式的面內波矢分別與範德華晶體的面內及面外介電常數相關；之後，他們使用neaSNOM散射型掃描近場光學顯微鏡，在範德華納米片中激發尋常及非尋常波導模式，並對這些波導模式進行實空間近場光學成像；最後，他們通過nanoFTIR納米傅立葉紅外模塊對實空間近場光學圖像的傅立葉分析，求得所測範德華晶體的光學各向異性。 

圖2 不同厚度MoS2樣品的近場光學像及傅立葉分析   

結論

這一方法克服了傳統表徵手段對樣品大小的限制，能夠對單軸及雙軸範德華晶體材料的光學各向異性進行精準的表徵；通過對基底材料的優化設計，這一方法有望用於少層甚至單層範德華晶體光學各向異性的直接表徵。

該研究結果在線發表於Nature Communications，表徵方法已申請發明專利。相關研究工作得到國家自然科學基金、青年千人計劃等項目的資助。參考文獻：Probing optical anisotropy of nanometer-thin van der waals microcrystals by near-field imaging (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01580-7)


文章來源：中國科學院國家納米中心官網 


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