Nanophotonics | MoS₂纳米带的太赫兹近场光学特性

发布时间：2025年6月14日分类：科普资讯浏览量：65

作者：张天宇

导读：近日，来自丹麦技术大学（DTU）的Edmund J. R. Kelleher和Peter U. Jepsen及合作者利用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）结合太赫兹时域光谱（THz-TDS），实现了对MoS₂纳米带介电常数的纳米级定量成像（空间分辨率≈30 nm）。

通过开发基于有限偶极子模型（FDM）的反演算法，首次在0.6–1.6 THz频段提取了MoS₂纳米带的无特征介电谱，并发现：纳米带核心区介电常数实部均值Re{ε}=5.43（与文献报道体材料值一致）；边缘区域因应变导致介电实部降低≈10%；通过聚类分析识别出4类介电异质区域，揭示纳米级介电无序性。

该研究成果以“Dielectric Permittivity Extraction of MoS₂ Nanoribbons Using THz Nanoscopy”为题发表在国际知名学术期刊《Nanophotonics》上。论文通讯作者为Edmund J. R. Kelleher，论文第一作者为Henrik B. Lassen。

研究背景：过渡金属硫化物（TMDs）如二硫化钼（MoS₂）因其独特的层状结构和可调光电特性，在纳米光电子器件中具有重要应用潜力。MoS₂纳米带作为一维限域结构，其介电常数直接影响载流子迁移率、光学响应及器件性能。

然而，传统表征技术存在显著局限：远场太赫兹时域光谱（THz-TDS）受衍射极限限制，空间分辨率仅达百微米级，无法解析纳米尺度异质性；拉曼和光致发光光谱虽能探测晶体结构，却无法直接获取介电函数；静电显微镜（EFM）仅适用于静态场测量，缺乏频段覆盖能力。

此外，纳米材料中的介电无序性（如边缘应变、缺陷分布）对器件性能的影响尚未量化。当前技术难以在太赫兹频段（0.1–10 THz）实现纳米级空间分辨率（<50 nm）的介电成像，阻碍了对低维材料本征性质的深入理解。因此，开发一种兼具高空间分辨率与宽频带探测能力的方法，成为揭示MoS₂纳米带介电行为的关键挑战。

研究内容和结果：

通过SEM图像（图1a）展示了MoS₂纳米带的宏观形貌（长度≈10 μm，宽度<0.5 μm），并观察到周围分散的单层/多层晶体。拉曼光谱（图1b）显示纳米带的核心区域具有体材料特性（E₁₂g与A₁g峰差25 cm⁻¹），同时AFM分析排除了残余应变的影响，表明核心区结构稳定。

AFM图像（图2a-b）精确测量纳米带厚度为10–15 nm（>15层），但未分辨出SEM可见的单层边缘结构。白光近场成像（图2c-d）首次揭示了纳米带的介电对比度空间分布：纳米带散射信号强度仅为基底蓝宝石的50%（η₂≈0.5），边缘区域出现突变（分辨率≈50 nm），证明形貌与介电性质存在耦合效应。

太赫兹纳米线扫描（图3a-b）显示纳米带核心区的介电响应在0.6–1.6 THz频段内无特征波动（实部稳定于0.5，虚部接近零）。通过有限偶极子模型（FDM）反演提取复介电常数谱（图3c），实部均值Re{ε}=5.43（波动<±0.1），与文献报道的体材料静态介电值高度吻合，证实纳米带核心区载流子浓度极低。