研究二维材料中的铁电性

光谱学在材料科学和二维材料特性研究中发挥着重要作用。拉曼光谱和二次谐波光谱揭示了材料的结构，需要使用科学光谱系统进行灵敏检测。

2D 材料是一类可以以原子级薄的结晶层(低至单原子层厚度)生产的材料。石墨烯、过渡金属二硫属化物和其他二维材料已被证明具有独特的物理特性，这使得它们对开发新型增强型电气和光电器件具有吸引力。在过去的十年中，研究人员还开始构建二维材料的层状结构(有时称为范德华异质结构)，以构建用于研究新物理效应或实际应用的新设备。要考虑将其用于新的、有趣的应用，需要详细了解各种材料。

维尔纽斯大学(立陶宛)和橡树岭国家实验室(美国)的研究人员正在研究一类称为硫代磷酸盐的材料，其铁电特性以及这些特性在二维范德华异质结构中的利用。与铁磁材料类似，铁电材料可以具有可随电场改变的定向永久电极化。铁电行为与温度相关(温度低于有序发生的转变温度)，对于硫代磷酸盐，它也可以作为厚度的函数进行研究，其中材料可能更喜欢铁电有序或反铁电有序。

纳米级铁电域和反铁电域也可以共存。研究人员有兴趣准确了解硫代磷酸盐在纳米尺度上的特性，以“帮助确定这些材料在范德华异质结构中发挥作用的可能机制”。

该团队使用压电响应力显微镜(类似于原子力显微镜，但对电极化敏感)来表征硫代磷酸盐，但观察结果得到敏感拉曼光谱和二次谐波发生光谱作为温度函数的支持。光谱一直是表征二维材料结构及其晶格中电子和原子相互作用的主要表征工具之一。拉曼光谱和二次谐波产生光谱都对材料的结构敏感。拉曼测量来自晶格振动模式的非弹性散射，而二次谐波的存在表明反演对称性的破坏，这意味着铁电材料的探测体积中存在某种形式的有序性。

对于拉曼光谱，研究人员使用 532 nm 激光进行激发，功率保持在 100 µW 的低功率。研究材料时，使用低激光功率通常很重要，以避免加热样品造成的影响或损坏的风险。然而，信号水平较低，需要对拉曼散射光进行灵敏检测。对于 SHG，使用 800nm 和 80MHz 重复频率下的 50fs 以及样品上的 0.1W 能量进行激发。在这两种情况下，适当的滤光片都会阻挡激发波长的散射光。

在这两种情况下，均使用焦距为 300mm 的SpectraPro光谱仪和PIXIS 相机进行光谱检测。研究人员利用该系统的能力来适应各种实验条件。光谱仪转塔装有多个光栅，以优化任一测量的分辨率和光栅效率。科学CCD相机适合检测高灵敏度的超低光信号和/或需要高动态范围的信号，从而实现拉曼和SHG测量的条件。

审核编辑 黄宇