应用分享 | 二维材料的多维光谱解决方案

 

　　科幻小说《三体》中，一种名为“二向箔”的宇宙武器能够将三维物体瞬间降维成二维，由此摧毁了太阳系。虽然现实世界中的人类还未掌握如此极端的技术，但是将生活中的三维材料转变为原子级厚度的二维材料已经不再是科幻中的情节。我们身边的手机、电脑、太阳能电池，它们的性能上限其实都被材料的 "先天属性" 牢牢限制着,直到 2004 年石墨烯的发现，人类第一次真正进入了 "原子级厚度" 的二维材料世界,那怎样才能得到只有一个原子厚的石墨薄片呢？不必使用二向箔，我们就用最简单的方法，用胶带粘贴和撕开石墨块表面，每次都会把几层碳原子给撕下来，最终胶带上会残留极薄的石墨片，其中就可能包含单原子层的石墨烯。
 

　　正是用这个看似朴实无华的方法，海姆和诺沃肖洛夫两位科学家首次制备得到单层石墨烯，由此荣获2010年诺贝尔物理学奖。在此之前，传统理论认为二维晶体无法稳定存在，石墨烯颠覆了这一观念，是人类发现的第一种真正意义上的二维材料。
 

　　这些只有一个或几个原子层厚的薄片，展现出了与传统三维材料截然不同的神奇特性：单层二硫化钼从间接带隙变成直接带隙，黑磷拥有随层数可调的带隙和极强的光学各向异性，范德华异质结更是能像搭乐高一样随意组合不同材料的优势，MXenes 既有金属导电性又能溶于水，表面还能功能性调控，二维金属氧化物是"平民劳模"，便宜又稳定，光催化降解污染物一把好手。
 

图1. 二维材料的广阔世界
 

　　然而，面对错综复杂的二维材料大家族，要真正驾驭这些原子级积木，我们需要一双能看穿它们内部结构、电子运动和能量转换的 "火眼金睛"。二维材料的特殊之处也正是因为它的物理性质与层数、缺陷、应变、界面掺杂等微观因素高度相关，想要全面表征这些特性，单一的光谱手段远远不够。拉曼光谱可以揭示振动模式，荧光光谱能探测电子跃迁，二次谐波用于分析对称性，角分辨光谱提供动量空间信息，瞬态吸收则从时间维度捕捉载流子动力学，只有把多种光谱技术整合在一起，才能真正看懂二维材料。而这，正是谱光慧联共聚焦显微多维光谱系统的核心优势。
 

图2. 二维材料多维光谱检测平台
 

　　01  拉曼光谱+荧光光谱：二维材料的“身份证
 

　　拉曼光谱和荧光光谱，是二维材料研究中基础常用的两种手段，由于拉曼与荧光光路复用，可以实现信息互补验证，其联用可实现二维材料全方位精细化表征：借助拉曼特征峰位移、峰形变化与对应 mapping 成像开展层数与堆叠分析，精准判定二维材料层数、堆叠构型与异质结界面结构，搭配截面光谱成像直观解析异质结界面组分分布；利用偏振依赖拉曼成像完成偏振特性分析，表征材料各向异性、晶向取向与结构对称性；通过拉曼 G 峰、G' 峰偏移量定量开展应力与应变分析，测算面内应变大小、应变方向，对比不同封装、应变引入方式对材料能带与光学性质的调控规律；依托光热相关拉曼测试实现热学性质分析，表征材料热传导分布、局部温升与热输运性能；结合荧光成像与荧光强度 mapping 开展缺陷分析，可视化定位材料空位、边界等缺陷位置与缺陷密度分布。通过高性能高分辨高灵敏的拉曼-荧光光谱测量系统，完整解析二维材料层数堆叠、界面结构、各向异性、应变调控、热运输行为及缺陷演化规律，是二维材料基础物性研究、异质结器件开发与性能优化不可或缺的核心表征手段。
 

图3. 二维材料拉曼荧光光谱应用
 

　　02  角分辨光谱：看清“方向感”
 

　　角分辨光谱技术是一类通过测量光与物质相互作用时的角度依赖特性来获取二维材料电子结构、光学性质或表面信息的光谱分析方法，通过测量光谱信号随角度的变化，解析二维材料光与物质耦合的强弱作用和各向异性特征，从而量化其能带结构和激子动力学；从层内和层间激子的光谱特性揭示了介电环境对激子与光子相互作用的影响。此外，通过首创傅里叶面一次成像技术可兼顾全方位表征各类样品的反射、透射、衍射、散射、受激辐射以及复杂的多维度光场调控性质。
 

图4. 二维材料角分辨光谱应用
 

　　03  瞬态吸收&瞬态荧光：捕捉“超快”瞬间
 

　　在二维材料的光谱维度时间演化特性研究中，瞬态吸收与瞬态荧光技术则共同揭示激发态载流子的演化规律：瞬态吸收光谱以飞秒级时间分辨能力，通过波长-时间延迟的二维光谱成像呈现激发态差分吸收信号的宽波段演化过程，结合不同延迟时刻的特征光谱与多指数动力学拟合，可提取皮秒至纳秒级多时间尺度的寿命分量，定量解析载流子带隙弛豫、界面电荷转移、缺陷捕获与长寿命激发态的演化机制；瞬态荧光技术则兼具空间分辨与时间分辨能力，既可以微区成像直观展现二维材料不同区域的荧光强度与寿命分布差异，也可通过荧光衰减动力学定量对比不同体系的辐射复合速率差异，二者分别从吸收态演化与辐射复合过程两个互补维度，完整刻画二维材料及其异质结的激发态动力学行为，为二维光电器件的界面调控、缺陷工程与性能优化提供核心实验依据。
 

图5. 二维材料瞬态吸收、瞬态荧光应用
 

　　04  二次谐波：给材料照“X光”
 

　　二次谐波产生对材料的对称性极其敏感，以单层MoS₂为例，其晶体结构具有三重旋转对称性，结合偏振特性的SHG信号在空间分布上呈现出独特的六重对称性，形成六瓣花瓣状分布。这种信号，让SHG成为判定二维材料对称性和晶体取向的有力工具。
 

图6. 二维材料偏振&二次谐波应用
 

　　05  扫描光电流：给材料做“光电CT”
 

　　扫描光电流成像技术能够以微米级空间分辨率直观呈现二维材料器件中光生载流子的输运与收集过程。以二维材料场效应晶体管为例，构建出光电流的空间分布图谱。空间分布特征直接反映了器件沟道内内建电场的局域差异：光电流信号的正负变化对应于光生载流子在源漏电极间漂移方向的反转，信号强度的空间起伏则揭示了沟道中缺陷态密度、界面势垒或掺杂浓度的非均匀性。通过将扫描光电流成像与接地电极配置相结合，研究人员能够精确定位器件中光电转换效率最高的“活性区域”，识别制约器件性能的局域缺陷或接触势垒，为二维材料器件的沟道质量评估、电极接触优化及界面工程改进提供直观且关键的空间分辨证据。
 

图7. 二维材料扫描光电流应用
 

　　06  多维光谱与AI深度融合：降龙十八掌：一套掌法，打遍二维材料所有“命门”
 

　　金庸笔下，降龙十八掌是天下刚猛第一的掌法，招式虽简，却刚柔并济，一套掌法能应对百般敌情，但“降龙十八掌”真正的厉害之处，不在于招式多，而在于内力驱动，收放自如。谱光慧联的多维光谱系统，放在二维材料研究里，干的就是同样的事。在多维光谱信息采集层面，系统将共聚焦拉曼、稳态荧光、角分辨光谱、偏振光谱、瞬态荧光/吸收、传导光谱等模块高度集成于同一高通量采集设施。以氧化锌纳米线为例，仅需一次样品装载、一次空间定位，即可批量获取该微区完备的拉曼指纹、能带结构、角分辨色散关系、偏振各向异性及载流子瞬态动力学信息。所有光谱维度共享同一空间坐标基准，关联精度优于1微米，从根本上消除了跨仪器拼接带来的数据失配误差。在智能化操作层面，AI深度嵌入全流程数据采集、分析与数据融合知识继承的完整链路，将传统依赖资深专家经验的分析流程转变为标准化、可复现的智能决策。