來源 | 北京大學
一維碳納米管具有優異的結構穩定性、極高的電子遷移率、1 nm量級的特徵尺寸等優點，非常有可能成為下一代半導體技術的主要載體。近年來，科學家在碳納米管單手性控制、短溝道電學器件、光電器件、柔性器件應用等領域取得了突飛猛進的進步。由於碳納米管種類繁多，其性質高度依賴於其手性結構，研究結構依賴的碳納米管的基本物理性質成為碳納米管應用的關鍵基礎。然而，單根碳納米管的直徑只有1-3 nm，信號非常微弱，使得它的許多基本物理性質依然尚未完全明晰。其中，介質極化率是表徵光與物質相互作用最基本的光學參數之一，對於理解材料的光電性能及開發其具體應用非常關鍵。通常，對於傳統宏觀材料及二維薄膜材料，光學復極化率可以依靠折射或反射過程用橢偏儀來測量。然而，對於一維材料，並沒有反射和折射的概念（菲涅爾方程失效）。因此，長久以來，科學家們一直無法測量單根碳納米管光學復極化率。
針對這一重要基礎問題，北京大學物理學院劉開輝課題組及其合作者開發了手性橢偏光干涉檢測方法，結合透射電鏡電子衍射首次實現了對單根原子結構確定的單壁碳納米管光學復極化率的測量。研究團隊通過精確控制左、右旋橢圓偏振光與碳納米管散射光的干涉，使得在兩組干涉光譜中復極化率實部（虛部）貢獻相反（相同），從而通過兩組光譜定量得到碳納米管的復極化率（光譜能量範圍為1.6-2.7 eV）。另外，他們還展示了在器件襯底上原位測量單根碳納米管復極化率。這種針對單根碳納米管的復極化率測量拓展了人們對一維材料基本性質的認識，並且提供了一個新的可檢測參數，從而可以監控電荷摻雜、應變、分子吸附等外部調製。該技術有望加速一維納米材料在未來光子、光電和生物成像等方面上的精確設計和應用。
手性橢偏光干涉檢測方法示意圖及單根碳納米管復極化率探測結果展示
相關研究成果以“Measurement of complex optical susceptibility for individual carbon nanotubes by elliptically polarized light excitation”為題發表於2018年8月23日的《自然-通訊》（Nature Communications）上（DOI: 10.1038/s41467-018-05932-9）。劉開輝研究員為該工作的通訊作者。文章的共同第一作者為博士生姚鳳蕊、劉燦，本科生陳成。文章的合作者包括北京大學王恩哥院士、俞大鵬院士、張錦教授、高鵬研究員，西北工業大學趙建林教授、肖發俊副教授，中科院物理所白雪冬研究員，美國加州大學伯克利分校王楓教授，日本東京大學Shigeo Maruyama教授以及芬蘭阿爾託大學孫志培教授等。該工作得到了科技部重點研發計劃、基金委相關項目、重大科研裝備研製項目、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、北京大學物理學院和量子材料科學中心等的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-05932-9
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