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

　　期刊名稱：Nature Communications IF 14.7
 

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

　　【引言】
 

　　二維過渡金屬硫屬化合物(TMDs)因其顯著的激子特性在光電子學中占據著重要的地位。激子是一種由電子和空穴構成的準粒子，在這類材料中展示出強大的結合能和顯著的振蕩強度，因此成為了研究的熱點。然而，傳統的光學方法受限于衍射極限，無法對納米尺度的激子行為進行精細的空間解析。這一缺陷使得科研人員難以全面評估這些材料在實際應用中的潛力。特別是在異質結構中，激子對外部刺激的響應表現出復雜的異質性，進一步加大了研究的難度。此外，精確理解激子如何受介電屏蔽、層間雜化等環境因素的影響，始終是科學界面臨的一大挑戰。過去的研究主要依賴遠場光學技術，這類技術難以深入納米尺度進行觀測，嚴重阻礙了科研人員對激子在非均勻環境中行為的全面理解。
 

　　近日，哥倫比亞大學的研究團隊借助Neaspec的超高分辨散射式近場光學顯微-neaSNOM技術，成功突破了傳統光學方法在空間分辨率上的限制。在原子級薄的過渡金屬二硫化物的研究中，研究團隊不僅實現了高達20 nm的超高分辨率，而且在如此精細的尺度下探測到激子光譜。這項技術不僅幫助研究人員提取出這些材料復雜的介電函數，還揭示了在納米尺度上通過介電屏蔽調控激子特性的新方法。在對MoSe?/WSe?異質結構的研究中，研究人員觀察到激子共振能量發生紅移，這一現象直觀地表明了介電環境對激子行為有顯著影響。此外，通過對WSe?多層結構的層間雜化效應進行深入研究，為激子物理學的發展提供了更全面、更入的理解，也讓科研人員對激子的調控能力得到了提升。相關研究成果以《Nano-spectroscopy of excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides》為題，發表于SCI期刊《Nature Communications》上。
 

【圖文導讀】
 

　　圖1. a 利用s-SNOM測量激子的示意圖。b AFM探針掃過TMD樣品，可以在衍射極限以下研究激子響應，并提取納米尺度的介電函數。c 利用AFM所獲取的TMDs的形貌圖。d, e 在與(c)相同的區域上，展示了歸一化散射振幅和相位的近場圖像結果。
 

　　圖2. a 歸一化散射振幅的代表性近場圖像。b 歸一化相位的近場圖像。c, d WSe?單層的歸一化近場振幅和相位光譜(數據點)。e 通過(c, d)中PDM擬合提取的WSe?單層介電函數。
 

　　圖3. a, b 不同樣品區域的歸一化振幅和相位光譜(數據點)。c在激發能量為1.52eV時拍攝的振幅近場圖像。d,e沿(c)中顯示的線的近場振幅和相位演變。
 

　　圖4. a,b歸一化振幅和相位的近場圖像。左圖和右圖分別在1.68eV(接近單層WSe?的激子共振能量)和1.57EV(接近單層MoSe?的激子共振能量)下的表征結果。c沿(a和b)中右圖的黑線，單層和異質雙層結構的歸一化振幅和相位的表征結果。d, e WSe?三層結構的歸一化散射振幅和相位光譜(數據點)。e中藍色的垂直虛線和實線分別用來標示從點偶極子模型中提取的WSe?單層和WSe?三層結構中的激子能量。
 

　　【結論】
 

　　借助Neaspec納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR的s-SNOM功能，研究人員成功揭示了過渡金屬二硫化物中激子的納米尺度特性，準確提取了介電函數，開辟了調控激子的新途徑。通過觀察異質結構中激子共振能量的紅移現象，研究團隊對介電屏蔽的影響有了更為深刻的認識。
 

　　這一研究成果為未來光電子學和納米光子學領域的發展奠定了堅實的基礎，有望推動更高效、更小型的器件研發。同時，其在材料科學和設備設計上也展現出廣泛的應用前景。Neaspec的超高分辨散射式近場光學顯微-neaSNOM技術突破了傳統光學分辨率的限制，提供優于10 nm空間分辨率的光譜和近場光學圖像，具備納米尺度的激子光譜解析能力，在推動二維材料研究進程中發揮了關鍵作用，為相關領域的科研人員提供了全新的研究思路和有力工具。
 

　　相關產品
 

　　1、超高分辨散射式近場光學顯微鏡-neaSNOM2、neaSCOPE納米光譜與成像系統
 

　　3、納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIRhttp://www.zjmenchuan.com/usermanage/default.aspx?pro_promanage