石墨烯與基板間的微妙對話－利用偏振光揭示不同耦合特性
114年11月11日
【本篇報導由物理學系 陸亭樺教授研究團隊提供】 在本研究中，利用實驗室自製的偏振解析拉曼光譜系統，系統性探討石墨烯在不同基板（SiO2/Si、SiC和圖形化藍寶石基板）上的聲子光學響應。研究結果揭示，基板結構所引入的應變會顯著改變石墨烯的聲子模式，並造成拉曼特徵峰（G-band和2D-band）的頻率位移。更重要的是，當調控不同的入射光的偏振態時，石墨烯中簡併聲子振動的強度比例也隨之改變，凸顯了偏振光與材料聲子之間的動態交互作用。透過掃描式電子顯微鏡的觀察，研究團隊進一步證實基板的選擇會影響石墨烯的表面排列與均勻性。結合偏振拉曼的非破壞式量測，本研究不僅能解析晶格振動特性，還能進一步利用偏振光捕捉應變誘發的對稱性破壞。此研究強調了散射光的偏振特性在應變和未應變石墨烯之間的差異，揭示基板耦合如何驅動聲子偏振的變形。此研究結果提供了一種有效定量分析二維材料中應變各向異性的方法，這對於未來應變電子學發展檢測技術有了更完整的解析。 石墨烯（Graphene）是一種由碳原子組成的六方蜂窩狀的單層材料，擁有僅一個原子厚的結構。由於其優異的導電性、高導熱度、強度以及透明性，並表現出卓越的電學、光學性質，因此石墨烯被廣泛應用於傳感器、新型光電元件等高科技領域。在這些電子元件應用中，很多研究上也採用了石墨烯與其他二維材料的堆疊方式，發展出新的物理現象。不過，石墨烯的表現並不完全靠自己，它所「依附」的基板結構，其實會深深影響它的性質。若能清楚理解不同基板對石墨烯的影響，將有助於開發更高效的光電元件。 圖1：石墨烯在不同基板上的偏振解析拉曼強度極座標圖。(a) 石墨烯在SiO2/Si , SiC, 和PSS的光學顯微鏡影像，及示意圖，左下角為掃描式電子顯微鏡影像圖。(b) 石墨烯在不同基板上拉曼特徵鋒(G-band和2D-band)的偏振拉曼極座標圖，其中入射光為線偏振光。(c) 石墨烯在不同基板上拉曼特徵鋒(G-band和2D-band)的偏振拉曼極座標圖，其中入射光為圓偏振光。 國立臺灣師範大學物理系陸亭樺教授與研究團隊，利用自製的偏振拉曼光譜系統，探究石墨烯在不同基板上的光學表現。研究團隊選用了三種基板：矽晶圓（SiO2/Si）、碳化矽（SiC）以及圖形化藍寶石（PSS）。（如圖1(a)所示）。 研究結果顯示，當入射光的偏振態不同時，石墨烯的「聲子振動模式」會隨著基板改變。舉例來說，在使用線偏振光照射在SiO2/Si基板上的單層石墨烯時，檢測出G-band的偏振狀態為各向同性態（如圖1(b)的紅色圓形極座標圖表示）。然而，當照射SiC或圖形化藍寶石基板上的石墨烯時，G-band的偏振態轉變為各向異性狀態(如圖1(b)的紅色橢圓型極座標表示)，代表基板所造成的應變使得石墨烯內部原子的震動方式也改變。這可以想像成一張鼓皮因為張緊程度不同，而發出不同的聲音(頻率)，這些變化也會讓石墨烯的「光學指紋」，也就是拉曼光譜中的偏振態而有所改變。 更特別的是，在使用圓偏振光照射下，由於石墨烯本身具有簡併聲子振動帶的特性，因此它擁有「旋光轉換(helicity-exchange)」的效應。這個現象就可以想像成當材料吸收某一旋轉方向的光子時，為了維持系統的角動量守恆，因此散射出來的光子卻變成相反旋向。 除了介紹實驗結果外，研究團隊也透過線/圓偏振程度(DoLP/DoCP)的分析，更能定量地捕捉這些變化，並以理論運算驗證結果。而這些成果及實驗方法有助於深入了解光、二維材料、與基板的交互作用，藉以探討更多基本的材料物理特性及未來可能的應用。 然而這項成果的最大意義在於：研究團隊提供了一種非破壞式檢測方法，能清楚探討石墨烯與基板的交互作用，卻不必破壞樣品。這一發現強調了基板在決定石墨烯光學和電子特性中的重要性，也表明了基板的不同耦合特性可以成為調控石墨烯性能的手法之一。 這個研究成果不僅為石墨烯的基礎偏振拉曼物理學研究提供了更有趣的理解，隨著石墨烯被廣泛應用於傳感器和相關的光電元件中，這項研究相信也對未來的應用開發也具有重要意義。此研究成果已刊登於2023年的Applied Physics Letters中。 原文出處： Chang, Y. C., Das, B., Chiang, Y. F., Chang, W. H., Chen, Y. C., Kesarwani, R., ... & Lu, T. H. (2023). Phonon polarization deformation in graphene induced by substrate coupling strengths. Applied Physics Letters,122(3). https://doi.org/10.1063/5.0122959