Raman-spridningsspektroskopi är en nödvändig och korrekt metod för att karakterisera gitterstruktur och sond elektron-foton- och elektron-fonon-interaktioner. I kvantvärlden kan elektroner i grundtillstånden exciteras till mellanliggande energinivåer av fotoner, och sedan kopplas till fononer för att emittera fotoner med ändrade energier. De elementära Raman-processerna kan interferera med varandra via möjliga vägar för att ge upphov till spännande spridningseffekter. I en ny rapport som nu publicerats i Nature Communications , Shishu Zhang och ett forskarlag inom nanokemi och materialvetenskap i Kina beskrev kvantinterferens som kan leda till signifikant kiralt Raman-svar i monolagerövergångsmetalldikalkogenider med triklinisk symmetri och visade en stor cirkulär intensitetsskillnad för monolager rheniumdikalkogenid. Resultaten avslöjade chirala Raman-spektra som en ny manifestation av kvantinterferens till Raman-spridningsprocesser för att inspirera induktionen av kirala optiska svar i material.

Kvantinterferens

Fononer kan kopplas till fotoexciterade elektroner under en Raman-spridningsprocess för att slappna av till grundtillståndet genom att sända ut spridda fotoner. Energiskillnaden mellan infallande och spridda fotoner kan ge frekvensen för ett Raman-läge och avslöja strukturell information om material. Forskare kan också mer effektivt uppskatta intensiteten via elektron-foton och elektron-fonon-interaktioner. Kvantinterferens kan inträffa mellan olika elementära spridningsvägar för att resultera i reglering av oelastisk spridningseffektivitet. Materialforskare har bara rapporterat kvantinterferenseffekten i Raman-spridning för tvådimensionella (2D) skiktade material inklusive elektrostatiskt dopad grafen och få lager molybdenditellurid. Även om kvantinterferens är utmanande att observera, är det viktigt att förstå grundläggande interaktioner mellan ljus-materia för att potentiellt reglera ljusspridning i material. I detta arbete har Zhang et al. använde Rheniumdikalkogenid (ReX_2, där X är lika med svavel eller selen) som ett skiktat övergångsmetalldikalkogenidmaterial med triklinisk symmetri. Forskare har visat hur Re-atomerna i ReX₂ (X =svavel eller selen) kristaller flyttade bort från metallplatser för att bilda Re₄ parallellogram för att bilda en förvrängd kristallstruktur och ge upphov till anisotropa egenskaper i planet inklusive bärarmobilitet, fotoluminescens och Raman-spridning.

Experimenten

Forskare undersöker fortfarande interaktionerna mellan fotoner, elektroner och fononer under processen med kiral Raman-spridning. Zhang et al. rapporterade den kirala Raman-spridningen som observerades i monolager ReS₂ och ReSe₂ exciteras av cirkulärt polariserat ljus. Teamet inducerade stor cirkulär intensitet via kvantinterferens mellan första ordningens Raman-processer vid olika K-punkter i Brillouin-zonen. De beräknade chirala Raman-spektra baserade på kvantinterferenseffekten stämde väl överens med experimenten. I den optiska inställningen för kirala Raman-spridningsmätningar använde de en kvartsvågsplatta för att producera högerhänt eller vänsterhänt cirkulär polarisation för excitation. Det spridda ljuset kunde passera genom samma kvartsvågsplatta för insamling utan analysator. Under experimenten, Zhang et al. mekaniskt exfolierade en enskikts ReS₂ på ett sammansmält kiseldioxidsubstrat och erhöll optiska och atomkraftsmikroskopbilder. De noterade tjockleken på ReS₂ monolager och beräknade egenvektorerna för de Raman-aktiva vibrationslägena via densitetsfunktionsteori. På grund av sin trikliniska symmetri, lager ReX₂ hade två vertikala orienteringar. På liknande sätt innehöll kirala Raman-spridningsspektra för monoskiktet två olika orienteringar, som Zhang et al. särskiljs med användning av ringformig mörkfältsskanningselektronmikroskopi. För att ytterligare förstå kiral Raman-spridning undersökte teamet spridningseffektiviteten för ReS₂ (+) och ReS₂ (-), som en funktion av rotationsvinkeln för kvartsvågsplattan. Kiralitet i två dimensioner uppstod när distinkta enantiomerer är begränsade till ett plan; Men metoden där kirala Raman-svar uppstår från den mikrokosmiska synen på elektron/foton och elektron/fonon-interaktioner är fortfarande inte förstådd i detta fall.

Teoretiska beräkningar och kiralt Raman-svar

För att beräkna den stora cirkulära intensitetsskillnaden som observeras i 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.

Outlook

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 . + Utforska vidare

Controlling electrons and vibrations in a crystal with polarized light

© 2022 Science X Network