高压调控二维层状铟化硒纳米片中的晶体对称性

近年来,在超薄的二维层状纳米结构中发现的许多奇异性质引起了人们极大的研究兴趣。其中,这类材料的光电特性不仅取决于构成的元素,更大程度上与相邻原子层之间的堆叠状态有关。层间距离、相邻原子层的堆叠方式和相对平移等因素,不仅影响着电子在二维晶体中运动的能带结构,也决定了材料中光与物质相互作用的规律。利用先进的人工手段,将具有相同或不同层内周期结构的二维材料堆叠在一起制备的同质或异质结构,更加拓展了二维材料的应用领域。但是,目前的制备方法得到的二维结构通常是相对固定的,其性质或功能在制备完成后也无法轻易改变。

有鉴于此,南方科技大学的戴俊峰课题组、李贵新课题组、以及深圳大学张文静课题组的研究人员发现,通过垂直于层状结构二维晶面的高压,在小于相变的压强下,可以用于调节二维铟化硒纳米片相邻原子层间原子的相对位移,从而改变材料的晶格空间对称性。利用材料的非线性光学响应的偏振特性,这一结构对称性随外加机械压力增大而变化的过程显著地反映在其光学二次谐波产生信号的两个偏振方向上。随着机械压力的减弱和撤离,样品的结构对称性可以完全恢复到原来的状态,整个过程可多次重复。

层状的二维超薄铟化硒结构没有空间反演中心,却具有垂直于面内的三重旋转对称轴,对于垂直于样品表面入射的基频光,不同层数的样品均能产生光学倍频效应。以三重轴为中心,旋转线偏振入射光的电场方向,材料产生的光学倍频信号在平行和垂直于入射光电场的两个偏振方向上周期交替出现极大值,呈现具有六重旋转对称性、相互交错的偏振角度分布图案。与此同时,圆偏振的入射基频光可以产生偏振度为(-1)的倍频光。这些非线性光学响应的偏振特性与材料的空间对称性密切相关,可用于二维材料原子层间位错及晶格空间对称性的监测。在对二维铟化硒样品施加了0~8 GPa纵向机械压力的过程中,倍频信号的总强度大致不变,但信号的偏振角度分布图案逐渐发生形变,从原来的六重旋转对称演变为二重旋转对称。其中,对于偏振方向与基频光垂直的倍频信号,其偏振角度分布图案呈单个纺锤形状,而另一倍频信号分量则呈现蝴蝶翅膀状分布于纺锤两侧。此外,当压力>3 GPa时,圆偏振基频光激发产生的倍频信号的圆偏振度快速下降至0。在实验采用的压力范围内,这一演化过程完全可逆,随着外加压力的减小,样品的光学响应逐步恢复原状。

样品非线性光学响应信号强度不变、角度分布图案对称性改变,显示了样品在高压下并未发生相变,只发生不同原子层相对侧移。从微观的角度来看,外加高压改变了相邻原子层之间的距离及其相互作用。根据密度泛函计算,垂直于二维晶面的高压环镜下,原子层相对侧移后的双层铟化硒结构更加稳定。不过,对于多层的铟化硒来说,情况更为复杂,当前的实验结果可能是不同层间侧移造成的平均效应,更精密地操控二维结构的堆叠构型还需进一步量化加压过程中的物理机理。

研究者相信,这项同步利用机械压力操控二维材料晶格对称性、利用光学非线性响应监测的工作为二维材料的光电研究提供了新的手段和方向,也为二维材料的应用前景开拓了新的思路。

相关结果发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201900012)上。