CN109883346A - 一种基于光学三倍频测量二维材料三阶非线性光弹张量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量二维材料三阶非线性光弹张量的装置和方法。所述装置包括超快激光光源、第一偏振片、分束镜、1/2波片、镜头、被测二维样品及应变施加装置、反射镜、第二偏振片、滤光片和光谱仪。本发明首次实现了对二维材料三阶非线性光弹张量的测量，对于发展不受二维材料体系限制的、基于光学三倍频的测量二维材料中应变的方法提供先决条件，为应变工程精准调控二维材料的光学、电学和光电子学性能，以满足其在光学、电学、光电子学器件等领域的应用具有极大帮助。

Description

一种基于光学三倍频测量二维材料三阶非线性光弹张量的装 置及方法

技术领域

本发明属于光谱学及光电子技术领域，涉及一种基于光学三倍频测量二维材料三阶非线性光弹张量的装置及方法。

背景技术

二维材料是指材料有一个维度处于纳米尺寸(尺寸小于100纳米)，如纳米薄膜、超晶格、量子阱等等。三阶非线性光弹张量指应变张量作用于二维材料产生的三阶非线性极化率的变化。应变指在外力和非均匀温度场等因素作用下物体局部的相对变形。丰富的二维材料体系为实现光电子器件的小型化提供了广阔平台，而二维材料的电子能带结构、化学反应活性、相态等等往往受到应变的影响而发生变化。研究应变对二维材料光电子性质的影响，从而实现精确监控应变张量，需要一种精确的应变张量测量方法。目前常用的测量二维材料应变的方法多为透射电子显微镜、荧光光谱、拉曼光谱、光学二倍频光谱等等，但往往具有样品损伤、受限于材料体系等限制。光学三倍频来源于介质在基频光电场作用下产生的三阶非线性极化，由三阶非线性极化率χ⁽³⁾决定。χ⁽³⁾是四阶张量，张量元之间的对称关系由晶体点群决定。因此，光学三倍频与晶体结构直接相关，在二维材料中广泛被应用于探测晶格方向、晶界等等。应变直接导致晶体结构对称性的变化，因此，基于光学三倍频有望原位，无损伤地测量二维材料中应变张量(包括应变的大小和方向)。而利用光学三倍频测量二维材料中的应变张量，首先需要测量二维材料的三阶非线性光弹张量。

发明内容

针对目前二维材料中应变测量技术的缺陷，本发明提出了一种基于光学三倍频的方法来测量二维材料的光弹张量的装置及方法。该方法基于光弹效应，即应变调制三阶非线性极化率χ⁽³⁾，从而改变光学三倍频。

一种测量二维材料中三阶非线性光弹张量的装置，包括光源、反射镜、第一偏振片、分光镜、1/2波片、镜头、被测二维材料与应变施加装置、第二偏振片、滤光片和光谱仪。光源为脉冲激光，依次经过反射镜、第一偏振片、分光镜、1/2波片，垂直入射并由镜头聚焦后激发被测二维材料样品；二维材料产生的光学三倍频信号被物镜收集，依次经过分光镜、第二偏振片、滤光片，最终被光谱仪接收。

一种测量二维材料中应变的方法，包括如下步骤：

1)在镜头的焦点处放置二维材料样品，实验室坐标系x轴方向与二维材料高对称方向夹角为第二偏振片的光轴方向始终保持与第一偏振片的光轴方向平行，1/2波片光轴初始方向与第一偏振片的光轴方向平行；

2)脉冲激光经过反射镜，由第一偏振片变为线偏振光，经过分光镜和1/2波片后，垂直入射并由镜头聚焦于二维材料；

3)被测二维材料受激发后产生的光学三倍频信号被同一镜头收集后，经过上述1/2波片、分光镜、第二偏振片和滤光片，最终被光谱仪收集并记录光学三倍频信号强度；

4)以一定夹角θ/2逆时针旋转1/2波片，入射光经波片后则偏转θ，重复步骤3)，记录该角度下光学三倍频信号的强度；

5)重复步骤4)，直至θ＝2π，即入射光相对初始方向旋转一周，最终得到偏振角度依赖的光学三倍频谱

6)利用两点弯曲应变施加装置，对二维材料施加单轴拉伸应变∈_xx，其方向与实验室坐标系x轴方向夹角为0°，重复步骤1)-5)，最终得到不同大小的单轴拉伸应变下的偏振角度依赖的光学三倍频的平行分量

7)第二偏振片光轴方向保持与第一偏振片的光轴垂直，1/2波片光轴初始方向与第一偏振片的光轴方向平行；

8)重复步骤4)-6)，最终得到不同单轴拉伸应变下的偏振角度依赖的光学三倍频的垂直分量

将步骤6)、8)得到的不同应变下的偏振角度依赖的光学三倍频的平行分量和垂直分量分别代入如下公式：

即可得到二维材料的三阶非线性光弹张量p_ijklmn(六阶张量)。其中，和分别为应变施加前后的三阶非线性极化率，下角标i、j、k、l、m、n可以指二维材料的相互垂直的两个高对称方向，∈_xx为施加的单轴拉伸应变张量，θ为入射线偏光偏振方向与实验坐标系x轴的夹角，为激发二维材料的线偏光的偏振方向，为第二偏振片选取的样品产生的三倍频信号的偏振方向，对于光学三倍频的平行分量 与相互平行，对于光学三倍频的垂直分量 与相互垂直。

本发明实现了一种测量二维材料三阶非线性光弹张量的装置及方法。本发明不受二维材料晶体对称性限制，具有一般性和普适性，有潜力在应变表征领域广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的二维材料应变张量测量方法的光路示意图；

图标：1-脉冲激光光源；2-反射镜；3-第一偏振片；4-分光镜；5-1/2波片；6-物镜；7-被测二维材料样品与应变施加装置；8-第二偏振片；9-滤光片；10-光谱仪。

图2为单层二硫化钨在不同单轴拉伸应变下的三倍频信号，其中，图2(a)为单层二硫化钨的光学照片及晶体结构示意图，图2(b)为单层二硫化钨在不同单轴拉伸应变下的三倍频信号的平行分量，图2(c)为单层二硫化钨在不同单轴拉伸应变下的三倍频信号的垂直分量。

图3为单层二硫化钨的三阶非线性光弹张量。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

下面介绍利用本发明所述的方法测量二维材料单层二硫化钨三阶非线性光弹张量的实施例。

实施例1

利用光学三倍频测量单层二硫化钨三阶非线性光弹张量包括如下步骤：

1)如图1所示，光路包括脉冲激光光源1、反射镜2、第一偏振片3、分光镜4、1/2波片5、物镜6、被测二维材料与应变施加装置7、第二偏振片8、滤光片9、光谱仪10。其中，脉冲激光光源1波长为1288nm，在被测二维材料与应变施加装置7上表面放置被测二维材料样品。在本实施例中，被测二维材料样品为单层二硫化钨。

沿着所述光源1的光线射出方向，所述光源1、所述反射镜2、所述第一偏振片3、所述分光镜4、所述1/2波片5、所述物镜6、被测二维材料样品及应变施加装置7依次设置，所述光线经被测二维材料样品反射后经过所述物镜6、所述分光镜4，并通过所述第二偏振片8、所述滤光片9，最后被所述光谱仪10接收。

2)在镜头6的焦点处，放置单层二硫化钨及衬底；实验室坐标系x轴方向与二维材料高对称方向(本实施例中为单层二硫化钨的扶手型方向)夹角为1/2波片5的光轴方向初始设定为水平方向(x轴方向)；旋转第一偏振片3和第二偏振片8两块偏振片的偏振方向使两块偏振片的光轴完全平行，其中所述第一偏振片3的方向为水平方向(x轴方向)，所述第二偏振片的方向为竖直方向(z轴方向)。

3)旋转1/2波片5使其与第一偏振片3的光轴方向有一个夹角θ/2，入射光经波片后偏振方向旋转夹角θ，经过镜头6聚焦在单层二硫化钨上，其中，θ不为零。

4)单层二硫化钨被垂直入射线偏振光激发，产生的光学三倍频信号(429nm)透过所述物镜6后再经过上述1/2波片5、分光镜4、第二偏振片8、滤光片9，最后被光谱仪10探测。

5)逐渐增加夹角θ/2的值，重复步骤3)，以一定步长旋转1/2波片5，记录每一个夹角θ下的光学三倍频信号，直至θ＝2π，最终得到偏振角度依赖的光学三倍频信号的平行分量

6)通过应变施加装置7对单层二硫化钨施加沿x轴方向的单轴拉伸应变，其大小分别为0.48％、0.72％、0.90％，得到不同应变下的偏振依赖的三倍频信号的平行分量曲线由外向内应变依次减小，如图2(b)所示。

7)1/2波片5的光轴方向初始设定为水平方向(x轴方向)；旋转两块偏振片的偏振方向使两块偏振片的光轴完全垂直，其中所述第一偏振片3的方向为水平方向(x轴方向)，所述第二偏振片的方向y轴方向。

8)重复步骤3)-6)，得到不同应变下的偏振依赖的三倍频信号的垂直分量曲线由内向外应变依次增大，如图2(c)所示。

9)根据单层二硫化钨的晶体结构对称性(D_3h点群)，将三倍频信号的平行分量与三倍频信号的垂直分量分别代入 可得到如下公式：

其中，χ^(3,0)为单层二硫化钨不受应变时的本征三阶非线性极化率，此实施例中，v为单层二硫化钨的泊松系数，∈_xx为单轴拉伸应变大小，k₁、k₂、k₃、k₄为单层二硫化钨的三阶非线性光弹张量p_ijklmn的光弹张量系数，下角标i、j、k、l、m、n可以指二硫化钨的扶手型方向(a)或锯齿形方向(b)。

10)结合步骤6)、8)所述光谱数据，代入步骤9)所述公式，可以得到决定单层二硫化钨的三阶非线性光弹张量p_ijklmn的光弹张量系数k₁＝-1.84×10^-18m²/V²，k₂＝-1.41×10^-18m²/V²，k₃＝3.5×10^-19m²/V²，k₄＝-8.64×10^-19m²/V²。以此测得的单层二硫化钨的三阶非线性光弹张量可由光弹系数k₁、k₂、k₃和k₄表示，如图3。

其中，所述的光源为脉冲激光光源，用来激发被测二维材料的光学三倍频信号。

其中，所述被测二维材料放置在矩形柔性衬底上，并放置于物镜的焦点处。

其中，所述矩形柔性衬底由甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。

其中，所述应变施加装置由两个加持槽和两个精度为0.01mm的位移平台组成，将所述柔性衬底安装在所述应变施加装置上，通过两个加持槽之间的距离改变所述被测二维材料的应变状态。

其中，所述滤光片用来滤除脉冲激光，同时透过被测二维材料产生的光学三倍频信号。

以上所述，仅为本发明在二维材料单层二硫化钨上的具体实施方式，但本发明同样适用于其他二维材料，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于光学三倍频测量二维材料三阶非线性光弹张量的装置，其特征在于，该装置包括光源、反射镜、第一偏振片、分束镜、1/2波片、镜头、应变施加装置、第二偏振片、滤光片和光谱仪，在所述应变施加装置上设置有被测二维材料；

其中，所述光源发出的光依次经过所述反射镜、所述第一偏振片、所述分束镜、所述1/2波片、所述镜头并到达所述被测二维材料，所述被测二维材料受到激发产生的信号依次经过所述镜头、所述分束镜、所述第二偏振片和所述滤光片，最终被光谱仪接收。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光源为脉冲激光光源，用来激发被测二维材料的光学三倍频信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述被测二维材料放置在矩形柔性衬底上，并放置于物镜的焦点处。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述矩形柔性衬底由甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述应变施加装置由两个加持槽和两个精度为0.01mm的位移平台组成，将所述柔性衬底安装在所述应变施加装置上，通过两个加持槽之间的距离改变所述被测二维材料的应变状态。

6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述滤光片用来滤除脉冲激光，同时透过被测二维材料产生的光学三倍频信号。

7.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述被测二维材料为单层二硫化钨。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的装置以基于光学三倍频测量二维材料应变张量的方法，包括如下步骤：

1)在镜头的焦点处放置被测二维材料，实验室坐标系x轴方向与二维材料高对称方向夹角为第二偏振片的光轴方向始终保持与第一偏振片的光轴方向平行，1/2波片光轴初始方向与第一偏振片的光轴方向平行；

2)脉冲激光经过反射镜，由第一偏振片变为线偏振光，经过分光镜和1/2波片后，垂直入射并由镜头聚焦于被测二维材料；

3)被测二维材料受激发后产生的光学三倍频信号被所述镜头收集后，经过上述1/2波片、分光镜、第二偏振片和滤光片，最终被光谱仪收集并记录光学三倍频信号强度；

4)以一定夹角θ/2逆时针旋转1/2波片，入射光经波片后则偏转θ，重复步骤3)，记录该夹角θ/2下光学三倍频信号的强度；

5)逐渐增加夹角θ/2的值，重复步骤4)，直至θ＝2π，即入射光相对初始方向旋转一周，最终得到偏振角度依赖的光学三倍频谱

6)利用所述应变施加装置，对二维材料施加单轴拉伸应变∈_xx，其方向与实验室坐标系x轴方向夹角为0°，重复步骤1)-5)，最终得到不同大小的单轴拉伸应变∈_xx下的偏振角度依赖的光学三倍频的平行分量

7)第二偏振片光轴方向保持与第一偏振片的光轴垂直，1/2波片光轴初始方向与第一偏振片的光轴方向平行；

8)重复步骤4)-6)，最终得到不同单轴拉伸应变下的偏振角度依赖的光学三倍频的垂直分量

9)将步骤6)、8)得到的不同应变下的偏振角度依赖的光学三倍频的平行分量和垂直分量分别代入如下公式：

即可得到二维材料的三阶非线性光弹张量p_ijklmn(六阶张量)。其中，和分别为应变施加前后的三阶非线性极化率，∈_xx为施加的单轴拉伸应变张量，为激发二维材料的线偏光的偏振方向，为第二偏振片选取的样品产生的三倍频信号的偏振方向。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将式(1)展开得到如下公式：

其中，χ^(3,0)为二维材料不受应变时的本征三阶非线性极化率，v为单层二硫化钨的泊松系数，∈_xx为单轴拉伸应变大小，k₁、k₂、k₃、k₄为单层二硫化钨的三阶非线性光弹张量p_ijklmn的光弹张量系数。

10.根据权利要求9-10任一项所述的方法，其特征在于，所述被测二维材料为单层二硫化钨。

11.根据权利要求9-10任一项所述的方法，其特征在于，对于光学三倍频的平行分量I_||(θ,∈_xx,φ)，与相互平行，对于光学三倍频的垂直分量I_⊥(θ,∈_xx,φ)，与相互垂直。