半導(dǎo)體所等在等離激元納腔助力二維材料層間呼吸振動(dòng)探測(cè)方面取得重要進(jìn)展
二維材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)是下一代量子器件的關(guān)鍵材料體系，層間和界面耦合強(qiáng)度是決定其物理性能的重要因素。這類材料中層與層之間的微弱“呼吸”振動(dòng)，隱藏著層間耦合和界面耦合的關(guān)鍵信息，但在某些材料（如多層石墨烯和六方氮化硼）中卻因?yàn)槠潆娐曬詈献饔脴O其微弱或拉曼禁戒，在傳統(tǒng)拉曼光譜中幾乎“不可見”，成為制約界面物理研究的長(zhǎng)期瓶頸。等離激元增強(qiáng)拉曼光譜（PERS）技術(shù)通過金屬納米結(jié)構(gòu)將光壓縮在納米尺度并產(chǎn)生極強(qiáng)的局域電場(chǎng)，已成為在原子層面解析材料性質(zhì)的關(guān)鍵手段，成功應(yīng)用于二維材料的表面形貌、邊緣態(tài)及層內(nèi)晶格振動(dòng)等研究。有趣的是，這種層間振動(dòng)在空間上的運(yùn)動(dòng)方式，與等離激元納米腔產(chǎn)生的局域光場(chǎng)在尺度上天然匹配，這預(yù)示著等離激元納米腔有望專門增強(qiáng)這類曾被“忽視”的信號(hào)，并可能調(diào)控其性質(zhì)。因此，系統(tǒng)探索等離激元納米腔對(duì)層間呼吸模的增強(qiáng)與調(diào)控機(jī)理，發(fā)展定量描述該機(jī)理的理論模型，不僅是突破光學(xué)探測(cè)極限的重要技術(shù)基礎(chǔ)，更是深入理解二維材料層間和界面相互作用的關(guān)鍵科學(xué)問題。
近期，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所譚平恒研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廈門大學(xué)任斌教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了等離激元納腔助力二維材料層間呼吸振動(dòng)探測(cè)方面的重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于金屬納米腔增強(qiáng)層間聲子的普適探測(cè)新方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層石墨烯和六方氮化硼等二維材料中難以捕捉的層間振動(dòng)模式的高靈敏度檢測(cè)。其基本原理在于：材料中振動(dòng)模式的拉曼信號(hào)強(qiáng)度受其極化率及入射電場(chǎng)的共同調(diào)控。以多層石墨烯為例，通過在其表面直接沉積納米尺度的島狀金納米腔（圖1a，b），利用該結(jié)構(gòu)對(duì)多層石墨烯極化率的有效調(diào)制，以及表面等離激元共振效應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層石墨烯層間呼吸模式的顯著增強(qiáng)。掃描隧道顯微鏡和透射電子顯微鏡表征證實(shí)，金納米腔以島狀結(jié)構(gòu)均勻分布于石墨烯表面（圖1b）。暗場(chǎng)散射光譜中出現(xiàn)的強(qiáng)共振峰（圖1c），以及在633 nm激光激發(fā)下顯著增強(qiáng)的低頻拉曼信號(hào)（圖1d），均表明所制備的金納米腔具有良好的等離激元活性，可作為有效的等離激元增強(qiáng)拉曼光譜媒介。實(shí)驗(yàn)不僅觀測(cè)到多層石墨烯中對(duì)應(yīng)面內(nèi)振動(dòng)的G峰，還發(fā)現(xiàn)了一系列隨層數(shù)變化的新低頻模式。這些模式的頻率遠(yuǎn)高于已知層間剪切模的最高頻率，證實(shí)其來源于多層石墨烯的層間呼吸振動(dòng)（圖1e）。研究還首次發(fā)現(xiàn)等離激元可調(diào)制振動(dòng)模式的偏振特性，突破了傳統(tǒng)拉曼選擇定則的限制。
圖1??基于金納米腔的PERS探測(cè)多層石墨烯中的拉曼模式
該研究進(jìn)一步構(gòu)建了一個(gè)定量理論模型，用于描述層間呼吸模式的增強(qiáng)機(jī)制。該模型同時(shí)考慮了金納米腔（AuNCs）對(duì)石墨烯界面極化率的調(diào)制作用，以及其所產(chǎn)生的強(qiáng)局域等離激元電場(chǎng)。電磁場(chǎng)仿真結(jié)果直觀顯示，金納米腔周圍形成了高度局域化的等離激元電場(chǎng)（圖2a），并有效調(diào)制了界面處石墨烯層的極化率（圖2b）。在此基礎(chǔ)上，通過在傳統(tǒng)層間鍵極化率模型（一種描述二維材料層間振動(dòng)模式拉曼強(qiáng)度的理論模型）中引入電場(chǎng)和極化率調(diào)制效應(yīng)，提出了電場(chǎng)調(diào)制層間鍵極化率模型（E-IBPM）。該模型成功復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的AuNCs/多層石墨烯體系中呼吸模的強(qiáng)度分布規(guī)律（圖2c，2d）。該研究還通過使用不同金屬（如銀納米腔）及不同形貌的納米腔（通過改變退火溫度實(shí)現(xiàn)，圖2e），驗(yàn)證了該等離激元增強(qiáng)測(cè)量方法具有良好的普適性（圖2f），為拓展其在各類范德華異質(zhì)結(jié)界面表征中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖2??電場(chǎng)調(diào)制的層間鍵極化率模型
該成果以“Plasmonic nanocavity-enabled universal detection of layer-breathing vibrations in two-dimensional materials”為題發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications，DOI:10.1038/s41377-026-02203-x）。半導(dǎo)體所博士畢業(yè)生伍恒和林妙玲研究員為該論文的共同第一作者，譚平恒研究員為該論文的通訊作者。
該研究發(fā)展了一種基于金屬納米腔普適的等離激元增強(qiáng)拉曼光譜方法，通過局域電場(chǎng)增強(qiáng)與界面極化率調(diào)制的協(xié)同作用，成功探測(cè)到多層石墨烯和六方氮化硼等二維材料中長(zhǎng)期以來難以觀測(cè)的層間呼吸模，突破了這種弱電聲耦合或拉曼禁戒體系中層間呼吸模的表征瓶頸。該研究建立的電場(chǎng)調(diào)制層間鍵極化率模型（E-IBPM），定量揭示了二維材料及其異質(zhì)結(jié)呼吸模PERS信號(hào)增強(qiáng)的物理機(jī)制，從理論上量化了其局域電場(chǎng)增強(qiáng)與界面極化調(diào)制的協(xié)同作用，為理解二維材料及其異質(zhì)結(jié)中層間耦合與界面耦合提供了可靠的理論工具，標(biāo)志著二維材料層間聲子探測(cè)進(jìn)入“增強(qiáng)可量化”階段。展望未來，這類納米腔“信號(hào)放大器”策略具備良好的通用性與拓展性，不僅可用于多種二維材料及其異質(zhì)結(jié)，更有望應(yīng)用于層間激子、界面聲子極化激元等其它微弱準(zhǔn)粒子的探測(cè)。該工作不僅為二維量子材料的界面及物性研究打開了新窗口，也為未來設(shè)計(jì)高性能光電子器件提供了新的表征思路與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
