偏振分辨振动

撰文：刘雪璐等众所周知，实验上已经有多种手段可以实现角分辨偏振拉曼光谱(arpr)测试，但是不同配置往往会呈现出不同的结果。常用的arpr实验配置是固定入射激光和散射信号的偏振方向，旋转样品。但是，随着低维材料的兴起，样品尺寸往往只有微米量级，而旋转样品会导致样品点移动，很难实现对微米级样品的原位角分辨拉曼光谱测试。所以重新系统地研究各种arpr配置的优缺点并且找到对于微米级晶体材料优的实验方法显得十分必要。近，中国科学院半导体研究所谭平恒研究组系统全面地分析了三种测量arpr光谱的实验配置，给出了一般形式的拉曼张量在不同配置下拉曼强度的计算方法，并具体地以高定向热解石墨(hopg)的基平面和边界面为例，研究了这些arpr配置在二维材料拉曼光谱方面的应用。该工作使用了horiba公司labram hr evolution型全自动高分辨拉曼光谱仪，分析软件为labspec 6.0。全自动拉曼光谱仪快速的数据采集和强大的数据处理功能，为本工作的顺利完成提供了技术保障。今天在本文中，你将读到： 三种测量arpr光谱的实验配置及优缺点分析 高定向热解石墨的基平面和边界面arpr光谱测量及结果分析三种测量arpr光谱实验配置及优缺点分析图1. 三种测量arpr光谱的实验配置示意图：(a)αlvr和αlhr，(b)vlvr和vlhr以及(c)θlvr和θlhr。其中光路中偏振镜（polarizer）的使用是为了保证入射激光保持竖直偏振。单色仪入口的检偏镜（analyzer）用于选择沿竖直或水平偏振的拉曼信号。半波片用于改变入射激光或者散射光的偏振态。实验室坐标系(xyz)用黑色的箭头表示，而晶体坐标系(x’y’z’)用灰色的箭头表示。红色的双向箭头代表了照射到样品上的入射激光的偏振方向，蓝色的双向箭头代表了由竖直或水平检偏镜选择出的拉曼散射光的偏振方向。测量arpr光谱的实验配置如图1，三种配置的优缺点分别为：(a)αlvr和αlhr：改变入射激光的偏振方向，固定散射信号的偏振方向，而样品固定不动。这种偏振配置在测试过程中只需要通过旋转入射光路上半波片的快轴方向来改变入射激光的偏振方向。其优点在于便于操作，且保证了arpr光谱的原位测试。目前商业化的拉曼光谱仪，如labram hr evolution型拉曼光谱仪集成了自动化控制的半波片，这相比于手动旋转入射光路上半波片快轴方向的操作更为方便，测量结果更准确。(b)vlvr和vlhr：固定入射激光和散射信号的偏振方向，旋转样品。这种偏振配置被广泛应用于研究晶体材料拉曼光谱的各向异性，分别对应于常说的平行偏振（通常记为vv或yy）和交叉偏振（通常记为vh或yx）。其优点在于光路简单，而缺点为在旋转样品过程中不可避免地会导致样品点的移动，很难实现对微米级样品的原位角分辨拉曼光谱测试，使得测试技术难度增加。(c)θlvr和θlhr：在入射激光和散射信号的共同光路上设置半波片，通过旋转半波片的快轴-方向，同时改变入射激光及散射信号的偏振方向，而样品固定不动。这种偏振配置的优点同样是保证了arpr光谱的原位测试，但在低维材料的arpr光谱测量中尚未得到广泛的应用。上述三种arpr光谱的实验配置中，种配置(a)αlvr和αlhr可以借助自动化控制的半波片实现快速测量，是一种快速有效地测量arpr光谱的实验配置。第二种(b)vlvr和vlhr和第三种配置(c)θlvr和θlhr是等价的，这可以通过计算一般形式的拉曼张量在这两种配置下拉曼强度证实， 而后一种配置以其简便性和准确性等优势可以作为前一种的替代，从而可以更为高效地测量诸多微米级样品的arpr光谱。高定向热解石墨的基平面 & 边界面arpr光谱测量及结果分析二维层状晶体材料以其独特的物理、机械、化学和电学特性等迅速成为过去十余年国际科学研究的热点。近报道的一些垂直排列的二维层状晶体材料以及它们的异质结构，它们在边界面上能呈现出某些优于基平面的性质。这些各向异性材料的诸多性能随晶向而变，使其在纳米器件方面有着非常广阔的应用前景。hopg是石墨烯的母体材料，其由单层碳原子层即石墨烯依靠层间范德华力有序地堆垛而成，所以hopg可以作为二维层状晶体材料的代表。为了展示了不同arpr光谱的实验配置在二维层状晶体材料拉曼光谱测量以及各向异性研究方面的应用，研究人员对高定向热解石墨hopg的基平面（如图2）和边界面（如图3）分别进行了arpr光谱的测量。通过研究hopg基平面以及边界面上g模的拉曼强度对不同arpr光谱实验配置的依赖性，进一步证实了旋转样品的偏振测试技术（图1(b)vlvr和vlhr）和在入射激光及散射信号共同光路上放置半波片的偏振测试技术（图1(c)θlvr和θlhr）的等价性。后一种偏振测试技术可以作为前一种的替代，使得平面内各向异性材料的arpr光谱测量更为简便和准确。图2.（a）hopg基平面上的拉曼光谱。插图为晶体坐标系相对于激光入射方向的示意图。（b）偏振配置αlvr和αlhr，hopg基平面的g模拉曼强度igb(g)随α变化的坐标图。（c）偏振配置vlvr和vlhr下，hopg基平面的g模拉曼强度igb(g)随变化的坐标图。（d）偏振配置θlvr和θlhr下，hopg基平面的g模拉曼强度igb(g)随θ变化的坐标图。图3.（a）hopg边界面上的拉曼光谱。插图为晶体坐标系相对于激光入射方向的示意图。（b）偏振配置αlvr和αlhr下，hopg边界面的g模拉曼强度ige(g)随α变化的坐标图。（c）偏振配置vlvr和vlhr下，hopg边界面的g模拉曼强度ige(g)随β变化的坐标图。（d） 偏振配置θlvr和θlhr下，hopg边界面的g模拉曼强度ige(g)随θ变化的坐标图。对于垂直排列的二维层状晶体材料，单层厚度仅有亚纳米的级别，无法用光学显微镜对它们的晶向进行准确判断，目前急需一种快速、无损的鉴别方法。中国科学院半导体研究所谭平恒研究组进一步发现，当入射激光偏振方向与hopg碳平面取向平行时，其g模强度达到大值。基于这一特征，研究人员利用arpr光谱对hopg的边界面进行了晶向指认。这种方法还将有望推广到其他垂直排列的层状材料晶向的无损快速鉴别。图4. (a)hopg的边界面的光学图像，hopg边界面碳平面的方向y’与实验室坐标系y轴的夹角为β0=0o，20o和40o。(b)偏振配置αlvr下，β0=0o，20o和40o时hopg 边界面的g模拉曼强度ige(g)随α变化的坐标图。(c)偏振配置αlhr下，β0=0o，20o和40o时hopg边界面的g模拉曼强度ige(g)随α变化的坐标图。以上工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的大力支持，并于近期以highlights文章发表于中国物理b《chinese physics b》上：liu xue-lu, zhang xin, lin miao-ling, tan ping-heng. different angle-resolved polarization configurations of raman spectroscopy: a case on the basal and edge plane of two-dimensional materials. chinese physics b, 2017, 26(6): 067802horiba科学仪器事业部结合旗下具有近 200 多年发展历史的 jobin yvon 光学光谱技术，horiba scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天horiba 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。

style type=" text/css" .TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt } /style p 　　光在传波过程中振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，偏振是光作为电磁波的重要特征之一。偏振光探测在线性偏光镜（LPL）、偏振遥感以及医疗诊断治疗等方面已展现出广泛的应用前景。目前，对可见波段的偏振检测研究已比较普及，而对其它特殊波段的偏振探测有待进一步探索。近日，中国科学院半导体研究所超晶格室研究员李京波、魏钟鸣，与天津大学教授胡文平合作，围绕二维GeSe材料在短波近红外波段（700-1100 nm）的偏振光探测取得新进展。 /p p 　　GeSe是一种典型的二元IV-VI硫族化合物，研究显示，GeSe是以高度各向异性的层状正交晶系方式结晶（空间群Pcmn- ，比黑磷的空间群Bmab- 对称性低）。此外，GeSe的带隙范围为1.1-1.2eV，使其适用的二向色性波段分布在1100nm波段以内（可见/短波近红外波段）。在靠近带边处，高态密度直接导致高吸收系数。鉴于上述特性，GeSe在面内各向异性等方面的独特性质有待研究，来实现其在可见/短波近红外波段光偏振探测方面的应用。 /p p 　　在此背景下，该研究员团队利用GeSe材料高蒸气压的特点，采用真空气相沉积法，获得了高质量的GeSe层状单晶。通过XRD以及TEM表征，证实获得的二维GeSe纳米片具有很高的结晶度。同时，通过拉曼光谱、光吸收谱和光探测器件研究，系统分析了GeSe在晶格振动以及光学方面的各向异性（如图）。由于GeSe的几个典型的拉曼振动模的强度随着入射光和散射光的偏振方向以及样品的夹角而变化，拉曼光谱检测为GeSe晶向的确定提供了快速简便的方法。在光学方面，GeSe的各向异性体现在偏振度可分辨的光吸收谱和光电流谱等方面，在532nm激光波长下二向色性比为1.09，在638nm下为1.44，在808nm下为2.16，与吸收谱测试结果基本符合（对应的各向异性吸收比分别是1.09，1.26，3.02），这两种测试方法系统地确定了GeSe最佳的各向异性的光响应在808nm波长附近。结合理论计算的佐证，系统探测显示8-16nm厚度的GeSe有助于实现最优质的光探测结果。该研究成果显示出，二维GeSe在线偏振探测领域有潜在的应用价值。 /p p 　　相关研究成果近期发表在 em Journal of the American Chemical Society /em 上。研究工作得到中科院和国家自然科学基金委员会的资助。 /p p style=" text-align:center " img alt=" " oldsrc=" W020171123391449326616.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201711/uepic/753d9b4e-23b3-45db-b3a8-e7fd4a6082c2.jpg" uploadpic=" W020171123391449326616.jpg" / /p p style=" text-align: center " 由GeSe低晶格对称性导致的角度依赖各向异性拉曼信号和808nm激光下的探测性能。 /p

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