该研究利用自主研发的具有能量-动量二维成像解析能力的高分辨率电子能量丢失谱仪（2D-HREELS），全面研究了范例二维极性材料单层六方氮化硼（h-BN）中LO声子的非解析行为，并研究了其二维PhP的性子，成功不雅观测到了单层h-BN的所有声子模式从布里渊区中央到边界的色散。
博士生李佳德为第一作者，朱学涛研究员和郭建东研究员为共同通讯作者。
光学声子对材料的光、电、热等物理性子起着至关主要的浸染。特殊是，纵向光学（LO）声子的行为由于材料的极性而分歧凡响。在非极性材料中，无论是三维（3D）还是二维（2D）系统，晶格对称性担保了LO和横向光学（TO）声子在布里渊区中央具有零色散斜率的简并（图1a）。然而，在极性材料中，LO声子的晶格振动会产生额外的长程电场，进而对极性晶格施加长程库仑力。
长程库仑相互浸染显著改变了LO声子的行为。在3D情景中，长程库仑相互浸染使LO声子的频率在布里渊区中央附近升高，导致与TO声子的能量劈裂，称为LO-TO劈裂（LO-TO splitting）（图1b）。已经有大量的实验宣布表明，LO-TO劈裂普遍存在于3D极性材料中。然而，在2D情景中，LO声子不再与TO声子发生劈裂。在过去的二十年中，各种理论模型预测，在2D单层中，LO声子与TO声子在布里渊区中央简并，并呈现“V”形色散的非解析行为（图1c）。
图1：不同极性体系的LO声子在布里渊区中央附近行为示意图。
更故意思的是，极性材料中的LO声子与其声子极化激元（Phonon polariton, PhP）密切干系。之前有理论表明，二维极性单层中LO声子的非解析行为使得LO声子等价于二维PhP。二维PhP被预测具有精良的光学特性，如超慢的群速率和超高的光限域。然而，现有对二维极性单层中LO声子或PhP的丈量无法得到从布里渊区中央到大动量范围的完全色散行为，因此难以全面理解PhP的物理性子。当前，急迫须要对严格二维极性单层中LO声子的非解析行为进行全面的实验研究，这对付根本研究和未来运用都非常主要。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中央表面物理国家重点实验室SF06课题组的朱学涛研究员和郭建东研究员辅导博士生李佳德等，利用自主研发的具有能量-动量二维成像解析能力的高分辨率电子能量丢失谱仪（2D-HREELS），全面研究了范例二维极性材料单层六方氮化硼（h-BN）中LO声子的非解析行为，并研究了其二维PhP的性子。通过2D-HREELS的高精度丈量，他们成功不雅观测到了单层h-BN的所有声子模式从布里渊区中央到边界的色散（图2c、d）。基于此，他们证明了LO声子色散确实具有“V”形的非解析行为（图3a、b）：首先，LO和TO声子在布里渊区中央简并；其次，LO声子的色散在布里渊区中央附近呈现有限的正斜率。
此外，他们还研究了衬底电子的屏蔽效应对LO声子行为的影响。通过比拟Cu箔和Cu单晶衬底上成长的单层h-BN的不同LO声子行为，表明衬底与h-BN的间隔是影响屏蔽强度的一个关键成分。对Cu单晶上单层h-BN的丈量创造，其LO声子的线性色散行为被完备抑制，在布里渊区中央表现为“U”形的色散（图3d、e）。比较于表面原子级平整的Cu单晶，Cu箔的粗糙表面增加了其与h-BN的均匀间隔，导致Cu箔衬底的电子对h-BN屏蔽不完备，从而保留了“V”形的非解析色散行为。
图2：单层h-BN/Cu箔的表面表征和HREELS声子谱。
图3：铜箔和铜单晶衬底上单层h-BN中LO声子色散的比较。
该研究还创造，Cu箔的分外屏蔽浸染显著降落了单层h-BN中LO声子色散的斜率。这使得单层h-BN/Cu箔体系中的PhP表现出超越了独立二维单层h-BN的超慢群速率（~ 5 × 10−6c, c为光速）和超高光限域（~ 4000倍于自由空间光的波长）（图4a、b）。末了，他们还将2D-HREELS与当前丈量PhP的主流手段（Raman、s-SNOM和STEM-EELS）进行了比拟。创造当前主流的探测手段虽然很适宜丈量厚层样品的PhP，但是对丈量单层材料的PhP却极具寻衅性。基于此，他们引入2D-HREELS作为丈量二维PhP的新方法，与当前主流的探测手段形成了很好的互补。该事情揭示了二维极性材料中LO声子行为的基本规律，为将来二维PhP的研究和运用奠定了物理根本。
图4：单层h-BN的二维声子极化激元特性。
本研究中，中国科学院物理研究所王理副研究员供应了Cu箔衬底上单层h-BN样品的支持，北京大学彭海琳教授和博士生王雅妮供应了Cu单晶衬底上单层h-BN样品的支持。
该事情得到了国家重点研发操持，国家自然科学基金，中国科学院计策先导（B）操持和中国科学院青年创新促进会的帮助。（来源：中国科学院物理研究所）
