基于偏振斜入射二次諧波的少層二維材料晶相快速無損鑒別技術(shù)

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】少層二維材料的晶相多樣性會(huì)顯著影響其性能參數(shù)，而芯片集成等應(yīng)用場景對材料均一性有極高要求，因此開發(fā)各類少層二維材料的快速無損晶相檢測技術(shù)成為推進(jìn)少層二維材料應(yīng)用發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。
 

　　針對這一關(guān)鍵技術(shù)問題，中國科學(xué)院長春光機(jī)所特種發(fā)光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程晉羅研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于偏振斜入射的二次諧波檢測方法，以具有多種晶相的少層硫化鎵(GaS)體系為例，實(shí)現(xiàn)對少層二維材料晶相的精確識(shí)別。這種原位無損的表征方法證明了GaS樣品中同時(shí)存在β相和γ相，這也是首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到γ-GaS。該方法具有豐富的應(yīng)用前景，可拓展至其他少層二維材料、異質(zhì)堆疊材料體系中。
 

　　該研究成果發(fā)表于Nano Letters期刊，標(biāo)題為“Phase Identification of Layered GaS by Polarization-Dependent Angle-Resolved Oblique Incident Second Harmonic Generation”。
 

　　二次諧波(Second Harmonic Generation, SHG)技術(shù)是一種高效且非破壞性的二維材料晶相檢測方法。傳統(tǒng)的正入射SHG技術(shù)僅能探測材料面內(nèi)非零二階非線性極化率(χ(2))張量元。當(dāng)晶相差異主要表現(xiàn)在面外非零χ(2)張量元時(shí)，正入射SHG技術(shù)便不再適用。已經(jīng)報(bào)道的斜入射SHG技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)樣品能探測到面外χ(2)張量元，但該技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對單一張量元的鑒別，限制了其在多晶相共存材料體系中的應(yīng)用。
 

　　事實(shí)上，多晶相共存材料體系是普遍存在的。例如，層狀GaS屬于III-VI族金屬硫系化合物，在光電探測、非線性光學(xué)以及拓?fù)涔庾訉W(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。理論研究顯示，具有較大扭轉(zhuǎn)角度的層狀GaS展現(xiàn)出與魔角雙層石墨烯相似的平帶特性，這預(yù)示著在小尺寸莫爾超晶胞中可能觀察到顯著的電子-電子相互作用。通過施加面內(nèi)應(yīng)變，層狀GaS的帶隙能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的調(diào)控，并可能誘發(fā)能帶反轉(zhuǎn)，進(jìn)而形成拓?fù)浣^緣體。但是，層狀GaS存在四種不同的晶相結(jié)構(gòu)(β、γ、ε和δ相)，這些結(jié)構(gòu)的形成能相近，導(dǎo)致層狀材料中易發(fā)生相變，進(jìn)而影響材料性能。目前，對于層狀GaS晶體結(jié)構(gòu)的鑒別主要依賴透射電子顯微鏡(TEM)，這種測量方式并非原位無損的測量方式，因此，發(fā)展一種可以原位無損的探測技術(shù)對GaS進(jìn)行快速有效的晶相鑒別顯得尤為必要。
 

　　圖1 GaS二次諧波表征。(a,b) 偏振依賴斜入射SHG原理圖；(c,d) 45°斜入射SHG光譜；(e) 正入射和斜入射下偏振依賴的SHG強(qiáng)度。

 

　　少層GaS的四種晶相分別屬于不同的點(diǎn)群，包含的非零χ(2)張量元各不相同，導(dǎo)致它們的SHG特性存在差異。層狀β-GaS的非零χ(2)張量元數(shù)量為零，因此無法檢測到SHG信號(hào)；δ-GaS僅在斜入射激發(fā)條件下表現(xiàn)出二次諧波信號(hào)；γ-和ε-GaS，無論是在正入射還是斜入射激發(fā)條件下，均能觀測到SHG信號(hào)。然而，由于面外非零χ(2)張量元的差異，γ-和ε-GaS的偏振圖樣存在差異，這使得我們能夠通過偏振特性來區(qū)分不同的晶相。通過測量和分析正入射和斜入射激發(fā)的偏振依賴的SHG，成功地識(shí)別了層狀GaS樣品的晶相結(jié)構(gòu)，并首次在實(shí)驗(yàn)中直接觀察到γ-GaS的存在。理論計(jì)算顯示β-GaS和γ-GaS的拓?fù)湎嘧兇嬖诓町?，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了精確、原位鑒別多晶相材料體系的堆疊結(jié)構(gòu)的重要性。
 

　　中國科學(xué)院長春光機(jī)所宋穎助理研究員為論文第一作者，中國科學(xué)院長春光機(jī)所程晉羅研究員，單雨薇副研究員，東北師范大學(xué)辛巍副教授為本文通訊作者。本文還獲得了長春光機(jī)所李紹娟研究員、王延超研究員、冷榮寬助理研究員、常凱楠助理研究員、東北師范大學(xué)趙信剛教授、郎中玲副教授的支持。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金、吉林省科技廳自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院長春光機(jī)所“曙光”計(jì)劃等基金的支持。