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《自然—通訊》:朱學(xué)濤/郭建東觀測(cè)到二維極性材料中光學(xué)聲子的奇異行為

北京時(shí)間2024年3月2日,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心的朱學(xué)濤研究員和郭建東研究員在Nature Communications上發(fā)表了題為“Observation of the nonanalytic behavior of optical phonons in monolayer hexagonal boron nitride”的論文。

該研究利用自主研發(fā)的具有能量-動(dòng)量二維成像解析能力的高分辨率電子能量損失譜儀(2D-HREELS),全面研究了典型二維極性材料單層六方氮化硼(h-BN)中LO聲子的非解析行為,并研究了其二維PhP的性質(zhì),成功觀測(cè)到了單層h-BN的所有聲子模式從布里淵區(qū)中心到邊界的色散。

博士生李佳德為第一作者,朱學(xué)濤研究員和郭建東研究員為共同通訊作者。

《自然—通訊》:朱學(xué)濤/郭建東觀測(cè)到二維極性材料中光學(xué)聲子的奇異行為
光學(xué)聲子對(duì)材料的光、電、熱等物理性質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。特別是,縱向光學(xué)(LO)聲子的行為由于材料的極性而與眾不同。在非極性材料中,無(wú)論是三維(3D)還是二維(2D)系統(tǒng),晶格對(duì)稱性保證了LO和橫向光學(xué)(TO)聲子在布里淵區(qū)中心具有零色散斜率的簡(jiǎn)并(圖1a)。然而,在極性材料中,LO聲子的晶格振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生額外的長(zhǎng)程電場(chǎng),進(jìn)而對(duì)極性晶格施加長(zhǎng)程庫(kù)侖力。長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用顯著改變了LO聲子的行為。在3D情景中,長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用使LO聲子的頻率在布里淵區(qū)中心附近升高,導(dǎo)致與TO聲子的能量劈裂,稱為L(zhǎng)O-TO劈裂(LO-TO splitting)(圖1b)。已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)報(bào)道表明,LO-TO劈裂普遍存在于3D極性材料中。然而,在2D情景中,LO聲子不再與TO聲子發(fā)生劈裂。在過(guò)去的二十年中,各種理論模型預(yù)測(cè),在2D單層中,LO聲子與TO聲子在布里淵區(qū)中心簡(jiǎn)并,并呈現(xiàn)“V”形色散的非解析行為(圖1c)。

《自然—通訊》:朱學(xué)濤/郭建東觀測(cè)到二維極性材料中光學(xué)聲子的奇異行為
圖1:不同極性體系的LO聲子在布里淵區(qū)中心附近行為示意圖。

更有意思的是,極性材料中的LO聲子與其聲子極化激元(Phonon polariton, PhP)密切相關(guān)。之前有理論表明,二維極性單層中LO聲子的非解析行為使得LO聲子等價(jià)于二維PhP。二維PhP被預(yù)測(cè)具有優(yōu)異的光學(xué)特性,如超慢的群速度和超高的光限域。然而,現(xiàn)有對(duì)二維極性單層中LO聲子或PhP的測(cè)量無(wú)法獲得從布里淵區(qū)中心到大動(dòng)量范圍的完整色散行為,因此難以全面理解PhP的物理性質(zhì)。當(dāng)前,迫切需要對(duì)嚴(yán)格二維極性單層中LO聲子的非解析行為進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)研究,這對(duì)于基礎(chǔ)研究和未來(lái)應(yīng)用都非常重要。

最近,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF06課題組的朱學(xué)濤研究員和郭建東研究員指導(dǎo)博士生李佳德等,利用自主研發(fā)的具有能量-動(dòng)量二維成像解析能力的高分辨率電子能量損失譜儀(2D-HREELS),全面研究了典型二維極性材料單層六方氮化硼(h-BN)中LO聲子的非解析行為,并研究了其二維PhP的性質(zhì)。通過(guò)2D-HREELS的高精度測(cè)量,他們成功觀測(cè)到了單層h-BN的所有聲子模式從布里淵區(qū)中心到邊界的色散(圖2c、d)?;诖?,他們證明了LO聲子色散確實(shí)具有“V”形的非解析行為(圖3a、b):首先,LO和TO聲子在布里淵區(qū)中心簡(jiǎn)并;其次,LO聲子的色散在布里淵區(qū)中心附近呈現(xiàn)有限的正斜率。

此外,他們還研究了襯底電子的屏蔽效應(yīng)對(duì)LO聲子行為的影響。通過(guò)對(duì)比Cu箔和Cu單晶襯底上生長(zhǎng)的單層h-BN的不同LO聲子行為,表明襯底與h-BN的距離是影響屏蔽強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)Cu單晶上單層h-BN的測(cè)量發(fā)現(xiàn),其LO聲子的線性色散行為被完全抑制,在布里淵區(qū)中心表現(xiàn)為“U”形的色散(圖3d、e)。相比于表面原子級(jí)平整的Cu單晶,Cu箔的粗糙表面增加了其與h-BN的平均距離,導(dǎo)致Cu箔襯底的電子對(duì)h-BN屏蔽不完全,從而保留了“V”形的非解析色散行為。

《自然—通訊》:朱學(xué)濤/郭建東觀測(cè)到二維極性材料中光學(xué)聲子的奇異行為
圖2:?jiǎn)螌觝-BN/Cu箔的表面表征和HREELS聲子譜。

《自然—通訊》:朱學(xué)濤/郭建東觀測(cè)到二維極性材料中光學(xué)聲子的奇異行為
圖3:銅箔和銅單晶襯底上單層h-BN中LO聲子色散的比較。

該研究還發(fā)現(xiàn),Cu箔的特殊屏蔽作用顯著降低了單層h-BN中LO聲子色散的斜率。這使得單層h-BN/Cu箔體系中的PhP表現(xiàn)出超越了獨(dú)立二維單層h-BN的超慢群速度(~ 5 × 10?6c,?c為光速)和超高光限域(~ 4000倍于自由空間光的波長(zhǎng))(圖4a、b)。最后,他們還將2D-HREELS與當(dāng)前測(cè)量PhP的主流手段(Raman、s-SNOM和STEM-EELS)進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)當(dāng)前主流的探測(cè)手段雖然很適合測(cè)量厚層樣品的PhP,但是對(duì)測(cè)量單層材料的PhP卻極具挑戰(zhàn)性?;诖?,他們引入2D-HREELS作為測(cè)量二維PhP的新方法,與當(dāng)前主流的探測(cè)手段形成了很好的互補(bǔ)。該工作揭示了二維極性材料中LO聲子行為的基本規(guī)律,為將來(lái)二維PhP的研究和應(yīng)用奠定了物理基礎(chǔ)。

《自然—通訊》:朱學(xué)濤/郭建東觀測(cè)到二維極性材料中光學(xué)聲子的奇異行為
圖4:?jiǎn)螌觝-BN的二維聲子極化激元特性。

本研究中,中國(guó)科學(xué)院物理研究所王理副研究員提供了Cu箔襯底上單層h-BN樣品的支持,北京大學(xué)彭海琳教授和博士生王雅妮提供了Cu單晶襯底上單層h-BN樣品的支持。

該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,國(guó)家自然科學(xué)基金,中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)(B)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。(來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院物理研究所)

相關(guān)論文信息:

https://doi.org/10.1038/s41467-024-46229-4

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