研究快讯 | 双层石墨烯局域应变的近场红外探测

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 11 March 2021; 

online 16 April 2021

EXPRESS LETTER

Fano Resonance Enabled Infrared Nano-Imaging of Local Strain in Bilayer Graphene

Jing Du(杜靖), Bosai Lyu(吕博赛), Wanfei Shan(单琬斐), Jiajun Chen(陈佳俊), Xianliang Zhou(周先亮), Jingxu Xie(谢京旭), Aolin Deng(邓奥林), Cheng Hu(胡成), Qi Liang(梁齐), Guibai Xie(谢贵柏), Xiaojun Li(李小军), Weidong Luo(罗卫东), and Zhiwen Shi(史志文)

Chin. Phys. Lett. 2021, 38 (5): 056301

文章亮点

借助双层石墨烯电声子耦合的法诺共振特性，发展了一种基于扫描近场光学显微镜的纳米尺度局域应变探测新技术。该探测技术具有极高的空间分辨率和探测灵敏度，为探究低维材料中丰富的应变分布提供了机会，也为理解双层及三层石墨烯中的关联物理现象提供了新的思路。

双层石墨烯局域应变的近场红外探测

研究背景

应变可以很大程度上改变材料原有的机械、电学和光学性质，甚至引起结构相变，因此应变研究在凝聚态物理及材料科学中有十分重要的价值。然而，利用高灵敏度的手段探测纳米尺度的局域应变仍面临较大困难。近年来，双层石墨烯由于独特的物理性能引起了广泛的研究兴趣。首先，其能带结构可通过外部电场调节，并能打开几百毫电子伏的带隙；其次，双层魔角石墨烯具有反常超导等强关联现象，已经成为模拟Hubbard模型和研究非常规超导机理的理想平台。因此，研究双层石墨烯的应变分布有重要价值和意义。

内容简介

最近，上海交通大学史志文课题组和罗卫东课题组合作，首次在实验上报道了双层石墨烯中局域应变的超高灵敏度近场红外探测和定量分析。双层石墨烯是一种非极性晶体，其光学声子几乎没有红外响应。该工作利用垂直电场打破双层石墨烯上下两层的对称性，引入电偶极矩，激活了光学声子的红外活性，从而探测到双层石墨烯中局域应变的分布。激活的声子进一步与连续电子跃迁相互作用，产生强烈的法诺共振。形成的法诺共振光谱具有非常陡峭的近场红外散射峰，使得应变探测的灵敏度高达0.002%。

研究意义和重要性

此项研究将扫描近场光学显微镜的应用拓展到双层石墨烯等非极性晶体的应变检测中，为研究Bernal堆叠的双层石墨烯、魔角双层石墨烯及三层石墨烯中的丰富应变提供了方法，在应变检测领域以及纳米光电子器件领域有重要的应用价值。

双层石墨烯局域应变的近场红外探测。a：原始Bernal堆叠的双层石墨烯原子结构示意图。本征双层石墨烯是非极性晶体，电偶极矩为零，光学声子几乎没有红外活性。b：外加电场打破了石墨烯的层间对称性，引入电偶极矩，从而激活了光学声子的红外活性。c：扫描近场光学显微镜探测局域应变的示意图。d-e：双层石墨烯局域应变的近场红外探测结果。比例尺：2微米。f：栅压调制下的双层石墨烯近场红外光谱，可以看出近场红外光谱中有一个非常尖锐的法诺共振峰。该峰具有非常大的斜率，极大地提高了应变检测的灵敏度。

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