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中国科学院物理研究所 SF9组供稿 第57期 2017年11月27日
北京凝聚态物理国家实验室
针尖增强拉曼光谱(TERS)研究二维材料局域振动谱取得突破
  众所周知,扫描隧道显微镜(STM)能够直接在实空间中分辨单个原子,是研究原子尺度的物理现象和量子效应的强大工具。但遗憾的是STM无法给出表面的化学成分的信息。拉曼(Raman)光谱作为一种重要的原位非破坏性探测技术,能获取材料的特征性振动“指纹”,从而深入表征生物、化学、低维材料等体系的成分和结构,鉴定动力学过程的结构变化。但是传统的拉曼光谱由于散射截面非常小,需要大量的样品才能产生有效信号。因此人们又发展了表面增强拉曼(SERS)、共振拉曼等技术来提高拉曼信号的灵敏度。近年来发展的超高真空STM针尖增强拉曼技术(TERS),通过使用超高真空STM针尖对局域Raman信号的增强作用,结合STM本身所具有的原子分辨,能够在识别单个分子的同时获得其单分子拉曼光谱。TERS极大地增强了拉曼光谱的能力,使得拉曼技术有望在单分子、纳米科学等领域发挥更加突出的作用。然而,把拉曼光谱和低温超高真空STM结合起来,实现高性能的TERS系统有很多困难要克服。目前,国际上只有三个小组实现了低温超高真空下的TERS。
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)表面物理国家重点实验室SF9组多年来坚持自主进行尖端仪器技术的研发,在吴克辉研究员和陈岚研究员的带领下,他们从零开始,研制了高性能低温(4K)STM系统,具有低噪声、低漂移、高稳定性和很强的光学兼容性。经过多年的不懈努力,近期他们又在针尖增强拉曼(TERS)技术上取得了突破,完成了全自主设计的低温STM-TERS系统的搭建,其中解决了多项关键的技术难题,例如他们研制了压电陶瓷驱动超低温精密三维移动平台,它可以对透镜进行三维方向的调节,实现光路的聚焦和高效工作;解决了光照下温度漂移的问题,实现高稳定的STM图和拉曼光谱的并行采集。利用这套系统实现了高性能的TERS谱,横向空间分辨率达到0.5nm,TERS增强因子达到109,超过目前国际上的最好记录。
  表面物理国家重点实验SF9组博士生盛少祥在TERS系统搭建过程中起到了重要作用。近期,利用这套TERS系统,盛少祥等同学对硅烯的局域振动性质进行了原位的研究。硅烯的TERS光谱表现出随针尖和样品间距离指数的衰减关系,并且TERS对于硅烯的振动模式具有很强的选择性,只有A1和A2振动峰被极大的增强,而高频处的E模式却没有明显增强。通过TERS对不同拉曼模式的选择性增强效应,他们与半导体所谭平恒研究员、博士生吴江滨等合作,利用第一性原理计算,深入揭示了单层硅烯的拉曼模式的物理起源。此外,利用TERS的超高分辨本领,他们还研究了硅稀中缺陷、边界、应力区域的局域振动光谱,澄清了以往研究中对这些局域结构与振动峰之间关系的认识。这个工作是首次利用TERS在原子尺度上揭示二维材料的局域振动特征,表明TERS可以作为研究二维新材料的物性的一种强大的工具。
  相关研究工作发表在近期的Phys. Rev. Lett. 119,196803 (2017) 上。
  该工作得到了科技部(2016YFA0300904,2016YFA0301204)、国家自然科学基金委(11334011,11474277,11434010,11225421)和中国科学院先导计划(XDB07000000,XDB01000000)的支持。
图1.吴克辉研究组自主设计的低温STM-TERS系统,(A)光路示意图;(B)系统照片;(C)光路部分照片
图2.硅烯TERS强度随针尖样品间距离的变化呈现指数的依赖关系,并具有109的信号增强因子和亚纳米的空间分辨率。
下载附件>> PhysRevLett.119.196803.pdf
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