AOM:光幹涉引起的單層二硫化鎢氣泡中光致發光和拉曼光譜的震蕩現象

近年來，二維材料（例如石墨烯、氮化硼和二硫化鉬）以其獨特的結構及其光學、力學、電學和磁學等方面的優異性能，引起了人們廣泛的關注。由於具有良好柔韌性、密封性和機械強度，這種只有原子層厚度的材料與基底之間可以形成各種形狀和尺寸的氣泡。這些氣泡是測量二維材料黏附能、摩擦係數、剛度和楊氏模量的有效模型，同時也具有光、電和磁學等方面的應用潛力。

類似石墨烯，過渡族金屬硫屬化合物是另一類優異的二維材料。其中二硫化鎢（WS2）晶體是一種特殊的具有良好力學性能的材料，可以在各種基底上生長或轉移。此外，WS2是半導體，厚度減薄至單層會發生間接帶隙到直接帶隙的轉變。同時，單層WS2具有較強的光致發光能力，具備發光效率高，發射峰寬較窄的特點，在電子學、自旋電子學和光電子等領域顯示出良好的應用前景。同時，單層WS2晶體的帶隙和晶格振動對應變、壓力、溫度和電場等外界條件非常敏感，是PL和拉曼光譜學研究的理想模型材料。雖然人們對單層的WS2晶體進行了大量的研究，但迄今鮮有對二維WS2氣泡進行實驗報導。

燕山大學柳忠元教授等研究人員發現，在惰性氣體環境下，通過對SiO2/Si基底上的單層WS2晶體退火加熱，可以產生大量的單層WS2氣泡。根據原子力顯微鏡測量和統計分析，此類單層WS2氣泡具有球冠輪廓，尺寸在1~30微米之間分布。在較大尺寸單層WS2氣泡的光學和螢光照片中可以觀察到清晰的牛頓環幹涉圖樣。研究人員通過調節單層WS2氣泡外部壓力，可有效改變氣泡的高度、形狀和應變狀態，進而引起一系列光譜變化。在常壓環境下，通過拉曼（Raman）和光致發光譜（PL）二維成像方法，觀察到Raman和PL峰強度、位置和半高寬的震蕩現象。分析發現Raman和PL峰強震蕩源於單層WS2氣泡表面產生的光的幹涉增強和相消；而Raman和PL峰位置和半高寬的震蕩是由於光的幹涉起伏導致熱分布不均引起。對比實驗表明，在單層WS2上鍍一層導熱性良好的薄膜可有效抑制Raman和PL譜的峰位置和半峰寬的震蕩，印證了局部熱效應是引起峰位置和半高寬震蕩的原因。

這一成果以標題「Photoluminescence and Raman Spectra Oscillations Induced by Laser Interference in Annealing-Created Monolayer WS2 Bubbles」發表在Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201801373）上，賈志研、董繼宇和柳麗軒為共同第一作者，聶安民、向建勇和柳忠元教授為共同通訊作者。該工作為研究單層WS2及其他二維材料的光學和力學性能研究提供了新思路和方法，是首次報導通過簡單退火處理生成單層二維材料氣泡的一項工作。