背景与研究场景
Alexander Tartakovskii 是谢菲尔德大学数学与物理科学学院固体物理学教授，其研究组研究原子级薄的二维（2D）材料，聚焦于庞大的 2D 半导体家族。这些材料是层状晶体，通过剥离（类似从石墨制备石墨烯）提取薄膜。原始块状层状晶体具有强面内键和弱范德华类层间键。这使得可以剥离出原子级薄薄膜，并堆叠以制造复杂异质结构。这些量子材料及其异质结构展现出多种量子效应，可通过光学显微光谱技术进行研究。
Tartakovskii 教授进一步解释其研究：“我们使用的每种技术都是‘显微’的，因为这些材料仅几微米宽、几原子厚。我们使用显微光谱装置，涵盖显微光致发光、显微拉曼、显微反射对比、暗场光谱和透射光谱等技术，通常在低温或强磁场下进行。”
“这些材料因仅几原子厚而表现出量子限域效应。一个令人兴奋的近期发展是 moiré 物理——当两个原子级薄薄膜组装成异质结构并略微扭转时，其原子形成称为 moiré 超晶格的周期性超结构。对于更微妙的效果，我们将样品冷却至低温，但测量工具仍是光谱仪和 CCD。”
技术挑战
Tartakovskii 教授研究的量子材料非常小，需要先进的光谱和成像技术以表征其行为，包括各种量子效应。
Tartakovskii 教授概述了更多挑战：“显微光致发光光谱等技术的信号水平不高，因此低噪声相机特别有用且重要。此外，进行显微拉曼时，在激光线附近测量可能极其困难。”
“我们也在发展尖端增强纳米光谱技术，以在纳米尺度进行额外表征。这将需要尖端 kHz 范围振荡与相机芯片读出的同步。”
成像方案与成果
Tartakovskii 教授是 Teledyne Princeton Instruments 光谱与成像设备的长期用户，充分利用这些系统的效率、灵敏度和易用性。
Tartakovskii 教授描述其设备使用经验：“我们进行多种光学光谱，除极少数例外，始终使用 Teledyne Princeton Instruments 设备，这是我们的首选设备。我们与 Teledyne Princeton Instruments 的合作非常愉快。我们的实验室满是你们的设备，包括光谱仪和各种相机，过去 15-20 年一直在购买。”
“对于研究，我们使用 SpectraPro HRS 750 等光谱仪，使用转塔更换光栅，可轻松在显微拉曼、显微光致发光或其他光谱技术之间切换，并能在宽波长范围内工作，且可极其接近激光线。”
“我们还有新款 BLAZE 相机，成像速度非常快。我很期待它如何用于光学纳米光谱——我们将使用类似原子力显微镜的尖端。我们计划尝试将尖端振荡与 BLAZE 上数 kHz 的读出同步。传感器从 UV 到 NIR 约 1 µm 的灵敏度令人惊叹。因此这一强大系统将在多种材料类型中找到诸多用途。”
参考文献
Alexeev, E.M., Ruiz-Tijerina, D.A., Danovich, M. et al. (2019) Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures. Nature 567, 81–86 https://doi.org/10.1038/s41586-019-0986-9