二维薄层晶体材料的显微共焦光调制反射光谱研究

The two-dimensional structure, great crystal quality and unusual electronic band structure bring two-dimensional ultrathin crystals volatile and peculiar characteristics. The size of two-dimensional ultrathin crystals are normally 20 micrometer, and their electronic band structures are distinct with different layers. The graphene's bandgap can change from zero to 45 meV, and the bandgap of MoS2 is from undirect to direct. Using routine optical spectra measurements to study two-dimensional ultrathin crystals is unsuitable. In this proposal, graphene and MoS2 ultrathin crystals are made by micro-exfoliation method, and optical microscope, elliptical polarization spectrometer, atomic force microscope and micro-Raman spectrometer are applied to decide the layers of samples. And micro-photoluminescence and micro-Raman spectra are used to study their basic physics characteristics, more important， from thick to thin，the microscopic confocal photo-modulated reflectance spectra of our two-dimensional ultrathin crystals are measured. At last, with all experimental and theoretical results，the transition characteristics of singular points in electronic band structures are studied in detail.

独特的二维结构、优良的晶体质量和特殊的电子能带结构特性给二维薄层晶体材料带来了丰富而新奇的物理性质。二维薄层晶体材料尺寸通常小于20微米，且由于层数不同，其电子能带结构具有十分显著的差异，有的从零带隙变为微带隙，有的从直接带隙转为间接带隙。因此，使用通常的光荧光谱、光反射光谱等很难去有效研究它们的更多电子能带结构临界点跃迁。本项目通过微剥离技术获得石墨烯和二硫化钼的二维薄层晶体样品，利用光学显微镜、椭圆偏振谱仪、原子力显微镜和显微拉曼谱确定层数。通过测试其显微光荧光谱和显微拉曼光谱等来研究它们的结构和基本物理性质。然后，按照从厚到薄的顺序测试不同层数的二维薄层晶体材料的显微共焦光调制反射光谱，并结合其他实验和理论结果，分析二维薄层晶体材料的电子能带结构多个临界点的跃迁性质。本项目的开展将为二维薄层晶体材料的电子能带结构的理论研究及其器件应用提供新的思路和实验方案。

调制信号测试与提取是研究二维材料电子能带结构高阶临界点的重要研究手段。本项目主要开展了以下研究内容，并取得了一系列重要研究成果。.A.双调制技术的实现，有效提高调制光谱信号的信噪比，有效抑制荧光等对调制信号的影响。我们通过使用苏黎世仪器的高频双通道的锁相放大器（型号：HF2LI）直接实现频率（f1+f1）的信号强度探测。并自编调制测试控制程序，实现信号的提取与系统测量。虽然信号强度降低为原来信号强度的四分之一，但是信噪比提高10倍以上，并且有效抑制了荧光信号对调制信号的干扰。应用该技术，我们成功实现了GaAs的E0，E0+Delta0，E1，E1+Delta1等多个高阶临界点的调制信号的测量。同时也实现了GaN的带边和几个临界点的测量。.B. 研究了线列（或者近线列）CCD和CMOS器件实现调制信号探测与信号提取方法和技术，为实现调制信号测量的具有大动态范围的探测器系统研究提供理论和实验基础。理论研究数字锁相技术实现调制信号的方法能够提高动态范围为原来的N倍(N为线列探测器的像元总数)，噪声为原来的N^(-1/2)。通过专用电路设计结合数字锁相技术，动态范围能够达到10^9。.C. 理论研究了薄层二维材料的拉曼频移与层间相互作用力的关系，并初步实现了一种二维材料的高阶临界点的能谱测量。拉曼频移与层间相互作用力的关系对于层状堆垛方式、稳定性以及堆垛结构的能带电子结构特性具有十分重要的意义。通过CCD结合HR800初步获得了一种二维材料的高阶临界点的能谱。该研究还需要进一步实验和研究。