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探測方面取得重要進展
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，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）中卻因為其電聲耦合作用極其微弱或拉曼禁戒，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期瓶頸。等離激元增強拉曼光譜（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)生極強的局域電場，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)晶格振動等研究。有趣的是，這種層間振動在空間上的運動方式，與等離激元納米腔產(chǎn)生的局域光場在尺度上天然匹配，這預(yù)示著等離激元納米腔有望專門增強這類曾被“忽視”的信號，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層間呼吸模的增強與調(diào)控機理，發(fā)展定量描述該機理的理論模型，不僅是突破光學(xué)探測極限的重要技術(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，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所譚平恒研究員團隊聯(lián)合廈門大學(xué)任斌教授團隊報道了等離激元納腔助力二維材料層間呼吸振動探測方面的重要進展。研究團隊提出一種基于金屬納米腔增強層間聲子的普適探測新方法，實現(xiàn)了對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模式的高靈敏度檢測。其基本原理在于：材料中振動模式的拉曼信號強度受其極化率及入射電場的共同調(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)，成功實現(xiàn)了對多層石墨烯層間呼吸模式的顯著增強。掃描隧道顯微鏡和透射電子顯微鏡表征證實，金納米腔以島狀結(jié)構(gòu)均勻分布于石墨烯表面（圖1b）。暗場散射光譜中出現(xiàn)的強共振峰（圖1c），以及在633 nm激光激發(fā)下顯著增強的低頻拉曼信號（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拉曼光譜媒介。實驗不僅觀測到多層石墨烯中對應(yīng)面內(nèi)振動的G峰，還發(fā)現(xiàn)了一系列隨層數(shù)變化的新低頻模式。這些模式的頻率遠高于已知層間剪切模的最高頻率，證實其來源于多層石墨烯的層間呼吸振動（圖1e）。研究還首次發(fā)現(xiàn)等離激元可調(diào)制振動模式的偏振特性，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探測多層石墨烯中的拉曼模式
該研究進一步構(gòu)建了一個定量理論模型，用于描述層間呼吸模式的增強機制。該模型同時考慮了金納米腔（AuNCs）對石墨烯界面極化率的調(diào)制作用，以及其所產(chǎn)生的強局域等離激元電場。電磁場仿真結(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（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模式拉曼強度的理論模型）中引入電場和極化率調(diào)制效應(yīng)，提出了電場調(diào)制層間鍵極化率模型（E-IBPM）。該模型成功復(fù)現(xiàn)了實驗觀測到的AuNCs/多層石墨烯體系中呼吸模的強度分布規(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現(xiàn)，圖2e），驗證了該等離激元增強測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拉曼光譜方法，通過局域電場增強與界面極化率調(diào)制的協(xié)同作用，成功探測到多層石墨烯和六方氮化硼等二維材料中長期以來難以觀測的層間呼吸模，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信號增強的物理機制，從理論上量化了其局域電場增強與界面極化調(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進入“增強可量化”階段。展望未來，這類納米腔“信號放大器”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。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)計高性能光電子器件提供了新的表征思路與實驗基礎(chǔ)。
