CN109883347A - 一种基于光学三倍频的测量二维材料中应变张量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光学三倍频的测量二维材料应变张量的装置及方法。所述装置包括脉冲激光光源、反射镜、第一偏振片、分束镜、1/2波片、镜头、被测二维样品、滤光片、第二偏振片和光谱仪。本发明实现了对二维材料应变张量的测量，具有测量速度快、简单有效、不破坏被测样品的特点。本发明首次实现了不受二维材料体系(能带结构、晶体对称性等)限制的应变张量测量，对与应变工程精准调控二维材料性能，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的测量二维材料中应变张量的装置及 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的测量二维材料中应变张量的装置及方法。

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。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。相较于传统的三维材料，二维材料具有超高强度、超柔韧性，这使应变可以更加有效地调控其电子能带结构、化学反应活性、相态等等。为实现精准的性能调控，精确监控应变(大小和方向)十分重要。光谱学探测方法通常具有非损伤、高效率的优点，但往往受限于具体的材料体系。例如，荧光光谱只适用于具有直接带隙且有辐射跃迁的半导体材料；拉曼光谱只适用于具有应变敏感的拉曼声子模式的材料；而光学倍频光谱只适用于中心反演破缺的材料。因此，一种原位，无损伤地测量二维材料中的应变(大小和方向)方法，对于实现二维材料性能的精确调控，进一步实现二维材料的具体应用具有重要意义。

光学三倍频(THG)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(大小和方向)。

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应变大小和方向的装置及方法。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应变的装置，包括脉冲激光光源、反射镜、第一偏振片、分束镜、1/2波片、镜头、被测二维样品、第二偏振片、滤光片和光谱仪。脉冲激光光源发出的光依次经过反射镜、第一偏振片、分束镜、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，依次经过分束镜、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张量的方法，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、第一偏振片、分束镜、1/2波片，垂直入射并由镜头聚焦于二维材料；

3)样品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、分束镜、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)将步骤5)得到的偏振角度依赖的光学三倍频谱代入如下公式：

即可得到二维材料局域点的应变∈_mn。其中，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，与平行，和分别为应变施加前后的三阶非线性极化率，p_ijklmn为二维材料的三阶非线性光弹张量(六阶张量)，∈_mn为应变张量。

本发明实现了一种基于光学三倍频的测量二维材料中应变的装置及方法，具有测量速度快、简单有效、样品无损伤等优点。本发明可以实现原位探测，并同时指出二维材料局域位置应变的大小和方向。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-分束镜；5-1/2波片；6-镜头；7-被测二维材料样品；8-第二偏振片；9-滤光片；10-光谱仪。

图2为利用本发明所述测量方法测得的单层二硫化钨的局域应变张量，其中，图2(a)为单层二硫化钨的示意图，并在其中取一个点作为探测位置；图2(b)单层二硫化钨的光学依赖三倍频。

图3为利用本发明所述测量方法测得的单层二硫化钨的应变张量分布，其中，图3(a)为单层二硫化钨的示意图，并在其中取一个矩形的扫描范围；图3(b)为上述扫描范围的主应变张量∈_xx分量分布，图3(c)为上述扫描范围的主应变张量∈_yy分量分布。

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中应变张量的实施例。

实施例1

利用光学三倍频测量单层二硫化钨中的局域应变张量包括如下步骤：

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、分束镜4、1/2波片5、镜头6、被测二维样品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，被测二维材料样品为单层二硫化钨。

沿着所述光源的光线射出方向，所述光源、所述反射镜、所述第一偏振片、所述1/2波片、所述分束镜、所述镜头、被测二维材料样品及其衬底、所述镜头、所述分束镜、所述滤光片、所述第二偏振片、所述光谱仪依次设置。

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夹角为旋转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)；进一步的，1/2波片5的光轴方向初始设定为水平方向(x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。

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)透过所述镜头6后再经过上述1/2波片5、分束镜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谱

6)根据单层二硫化钨的晶体结构对称性(D_3h)，结合步骤5)所述光谱数据，代入 并展开，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，k₁＝-1.84×10^-18m²/V²，k₂＝-1.41×10^-18m²/V²，k₃＝3.5×10^-19m²/V²，k₄＝-8.64×10^-19m²/V²为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，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)、均取整数，v为单层二硫化钨的泊松系数，∈_xx、∈_yy为主应变张量的两个垂直分量，α为∈_xx与水平方向x轴的夹角。最终分别得到单层二硫化钨在聚焦点的主应变张量的两个垂直分量∈_xx、∈_yy的大小及相应指向α，(∈_xx,∈_yy,α)为(0.30％,0.01％,20°)，以此测得的一组单层二硫化钨的应变张量的数据如图2所示。

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于镜头的焦点处。

其中，所述第二偏振片与第一偏振片的光轴保持平行。

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。

实施例2

利用光学三倍频测量单层二硫化钨中的应变张量分布包括如下步骤：

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、分束镜4、1/2波片5、镜头6、被测二维样品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，被测二维材料样品为单层二硫化钨，并放置在二维压电位移平台上。

沿着所述光源的光线射出方向，所述光源、所述反射镜、所述第一偏振片、所述1/2波片、所述分束镜、所述镜头、被测二维材料样品及其衬底、所述镜头、所述分束镜、所述第二偏振片、所述滤光片、所述光谱仪依次设置。

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夹角为旋转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)；进一步的，1/2波片5的光轴方向初始设定为水平方向(x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。

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)透过所述镜头6后再经过上述1/2波片5、分束镜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谱

6)根据单层二硫化钨的晶体结构对称性(D_3h)，结合步骤5)所述光谱数据，代入 并展开，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，k₁＝-1.84×10^-18m²/V²，k₂＝-1.41×10^-18m²/V²，k₃＝3.5×10^-19m²/V²，k₄＝-8.64×10^-19m²/V²为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，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)、均取整数，v为单层二硫化钨的泊松系数，∈_xx、∈_yy为主应变张量的两个垂直分量，α为∈_xx与水平方向x轴的夹角。

7)设置xy平面的扫描范围(55μm，60μm)及点数(20,22)，在每个位置重复步骤2)-6)，最终得到与位置信息相关的应变张量分布，以此测得的一组单层二硫化钨的应变张量的分布数据如图3所示。

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于镜头的焦点处。

其中，所述第二偏振片与第一偏振片的光轴保持平行。

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 (10)

1.一种基于光学三倍频测量二维材料应变张量的装置，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、被测二维材料、第二偏振片、滤光片和光谱仪；

其中，所述光源发出的光依次经过反射镜、第一偏振片、分束镜、1/2波片、镜头并到达被测二维材料，二维材料受到激发产生的信号依次经过镜头、分束镜、第二偏振片和滤光片，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1-2任一项所述的装置，其特征在于，所述被测二维材料放置于镜头的焦点处。

4.根据权利要求1-2任一项所述的装置，其特征在于，所述第二偏振片与第一偏振片的光轴保持平行。

5.根据权利要求1-2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。

6.根据权利要求1-2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。

7.一种采用权利要求1-6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、第一偏振片、分束镜、1/2波片，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、分束镜、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旋转1/2波片，入射光经1/2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)逐渐增加夹角θ/2，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)将步骤5)得到的偏振角度依赖的光学三倍频谱代入如下公式：

即可得到二维材料局域点的应变u_mn；

其中，为第二偏振片选取的样品产生的三倍频信号的偏振方向，与平行，和分别为应变施加前后的三阶非线性极化率，p_ijklmn为二维材料的三阶非线性光弹张量，∈_mn为应变张量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述三阶非线性光弹张量为六阶张量。

9.根据权利要求7-8任一项所述的方法，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，k₁，k₂，k₃，k₄为三阶非线性光弹张量系数，i、j、k、l、m、n取整数，v为二维材料的泊松系数，∈_xx、∈_yy为主应变张量的两个垂直分量，α为∈_xx与水平方向x轴的夹角。

10.根据权利要求7-8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。