Raman-verstrooiingsspectroscopie is een noodzakelijke en nauwkeurige methode om de roosterstructuur te karakteriseren en elektron-foton- en elektron-fonon-interacties te onderzoeken. In het kwantumrijk kunnen elektronen in de grondtoestanden door fotonen worden opgewekt tot tussenliggende energieniveaus en vervolgens worden gekoppeld aan fononen om fotonen met veranderde energieën uit te zenden. De elementaire Raman-processen kunnen via mogelijke paden met elkaar interfereren om intrigerende verstrooiingseffecten te veroorzaken. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Nature Communications , Shishu Zhang en een onderzoeksteam in nanochemie en materiaalkunde in China beschreven kwantuminterferentie die kan leiden tot significante chirale Raman-respons in monolaagse overgangsmetaaldichalcogeniden met triklinische symmetrie en toonde een groot circulair intensiteitsverschil voor monolaag-rheniumdichalcogenide. De resultaten onthulden chirale Raman-spectra als een nieuwe manifestatie van kwantuminterferentie in Raman-verstrooiingsprocessen om de inductie van chirale optische reacties in materialen te inspireren.

Kwantuminterferentie

Fononen kunnen worden gekoppeld aan foto-geëxciteerde elektronen tijdens een Raman-verstrooiingsproces om te ontspannen naar de grondtoestand door verstrooide fotonen uit te zenden. Het energieverschil tussen de invallende en verstrooide fotonen kan de frequentie van een Raman-modus verschaffen en de structurele informatie van materialen onthullen. Wetenschappers kunnen de intensiteit ook effectiever inschatten via elektron-foton- en elektron-fonon-interacties. Kwantuminterferentie kan optreden tussen verschillende elementaire verstrooiingsroutes om te resulteren in de regulering van inelastische verstrooiingsefficiënties. Materiaalwetenschappers hebben alleen het kwantuminterferentie-effect in Raman-verstrooiing gerapporteerd voor tweedimensionale (2D) gelaagde materialen, waaronder elektrostatisch gedoteerd grafeen en enkele laag molybdeen ditelluride. Hoewel kwantuminterferentie een uitdaging is om waar te nemen, is het essentieel om fundamentele interacties tussen licht-materie te begrijpen om mogelijk lichtverstrooiing in materialen te reguleren. In dit werk, Zhang et al. gebruikte Rhenium dichalcogenide (ReX_2, waarbij X gelijk is aan zwavel of selenium) als een gelaagd overgangsmetaal dichalcogenide materiaal met triklinische symmetrie. Onderzoekers hebben laten zien hoe de Re-atomen in ReX₂ (X =zwavel of selenium) kristallen verplaatsten zich van metaalplaatsen om Re₄ . te vormen parallellogrammen om een ​​vervormde kristalstructuur te vormen en aanleiding te geven tot anisotrope eigenschappen in het vlak, waaronder dragermobiliteit, fotoluminescentie en Raman-verstrooiing.

De experimenten

Wetenschappers onderzoeken nog steeds de interacties tussen fotonen, elektronen en fononen tijdens het proces van chirale Raman-verstrooiing. Zhang et al. rapporteerde de chirale Raman-verstrooiing waargenomen in monolaag ReS₂ en ReSe₂ opgewekt door circulair gepolariseerd licht. Het team induceerde grote cirkelvormige intensiteit via kwantuminterferentie tussen eerste-orde Raman-processen op verschillende K-punten in de Brillouin-zone. De berekende chirale Raman-spectra op basis van het kwantuminterferentie-effect kwamen goed overeen met de experimenten. In de optische opstelling voor chirale Raman-verstrooiingsmetingen gebruikten ze een kwartgolfplaat om rechtshandige of linkshandige circulaire polarisatie te produceren voor excitatie. Het verstrooide licht zou zonder analysator door dezelfde kwartgolfplaat kunnen gaan voor verzameling. Tijdens de experimenten, Zhang et al. mechanisch geëxfolieerd een enkellaags ReS₂ op een gesmolten silicasubstraat en verkregen optische en atomaire krachtmicroscopiebeelden. Ze noteerden de dikte van de ReS₂ monolaag en berekende de eigenvectoren van de Raman-actieve trillingsmodi via dichtheidsfunctionaaltheorie. Door zijn triklinische symmetrie is de gelaagde ReX₂ had twee verticale oriëntaties. Evenzo bevatten chirale Raman-verstrooiingsspectra van de monolaag twee verschillende oriëntaties, die Zhang et al. onderscheiden met behulp van ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie. Om chirale Raman-verstrooiing beter te begrijpen, onderzocht het team de verstrooiingsefficiëntie van ReS₂ (+) en ReS₂ (-), als functie van de rotatiehoek van de kwartgolfplaat. Chiraliteit in twee dimensies ontstond toen verschillende enantiomeren beperkt zijn tot een vlak; de methode waarbij chirale Raman-reacties ontstaan ​​uit de microkosmische kijk op de elektron/foton- en elektron/fonon-interacties wordt in dit geval echter nog steeds niet begrepen.

Theoretische berekeningen en chirale Raman-respons

Om het grote circulaire intensiteitsverschil te berekenen dat is waargenomen in ReS_2, the team measured the first-order Raman scattering via third-order perturbation theory. The scientists calculated the Raman intensity and Raman tensor via the electronic band structure and phonon dispersion of ReS_2. The results of the calculated Raman spectra showed how chiral Raman scattering of ReS₂ arose from the interference effects between all possible quantum pathways of elementary transitions. The scientists noted that while quantum interference effect in Raman scattering was reported in other 2D materials, this was a first-in-study outcome, leading to a pronounced chiral Raman response. The team showed how chiral Raman scattering was also observed in other triclinic 2D layered materials, such as ReSe₂ , where the crystal structure of ReSe₂ had similarities to ReS_2.

Vooruitzichten

In this way, Shishu Zhang and colleagues described how quantum interference in Raman scattering can provide a strong chiral response in 2D enantiomers of single-layer triclinic ReX₂ where X equaled sulfur or selenium. The team noted how Raman scattering efficiencies of left-handed circular polarization and right-handed circular polarization excitations could be clearly distinguished and found to depend on Raman modes and their excitation photon energies. The findings revealed how quantum interference can lead to a pronounced chiral response of Raman scattering in materials. The team showed that quantum interference can be a generic effect in inelastic optical scattering, evident as a constructive or destructive interference, dominant more so when the excitation photon energy is larger than the bandgap of materials. The results are applicable to bulk triclinic crystals such as ReS₂ and ReSe₂ . + Verder verkennen

Controlling electrons and vibrations in a crystal with polarized light

© 2022 Science X Network