Phonon is one of the most important elementary excitations, and is fundamental for understanding thermodynamic properties, such as heat capacity, Debye temperature, and the coefficient of thermal expansion. Furthermore, electron-phonon coupling can determine the electric conductivity and superconductivity of materials. Raman spectroscopy is the most important tool to study phonon physics, and can not only be utilized to explore the lattice structure and quality of materials but also their phonon properties, electronic band structure and electron-phonon coupling. Here, we investigate the phonon physics of two-dimensional (2D) materials and the related van der Waals heterostructures by Raman spectroscopy. First, we will introduce interlayer and intralayer phonon modes. The frequency of the interlayer phonon modes can be well reproduced by the linear chain model while their intensity can be calculated by the interlayer bond polarizability model; in addition, the splitting frequency between Davydov components in multilayer 2D materials originating from the same intralayer mode in monolayer counterpart can be well fitted by the van der Waals model. Secondly, we extend these models to 2D van der Waals heterostructures. By taking twisted multilayer graphene, MoS2/graphene and hBN/WS2 heterostructures as examples, we demonstrate how to calculate the frequency and Raman intensity of the interlayer modes by the linear chain and interlayer polarizability models, respectively, which can further give the strength of the interlayer coupling and electron-phonon coupling for layer-breathing modes in van der Waals heterostructures.

硫族化镉纳米微晶由于具有发光效率高和发射波长可调谐等优良性质在光电器件中有重要的应用,CdSe/CdS点-棒异质结量子点是典型代表之一。本文中通过非共振拉曼方法探测了该量子点在5~50 cm-1的声学声子模,利用不同模式的偏振特性,清晰地指认了球状核壳异质结量子点的扭转模式和径向呼吸模、棒状和点-棒异质结量子点的伸缩模和径向呼吸模等,并观察到了棒状量子点和点-棒异质结量子点的电子拉曼散射。同时发现点-棒异质结量子点的径向呼吸模较尺寸相当的纳米棒量子点发生红移。利用有限元方法形象模拟各量子点声学模的振动形式,并发现点-棒异质结量子点呼吸模振动的局域性。随后,引入局域有效声速的概念,利用改进的Lamb定律,成功解释了该红移是由CdSe核区域声速的减小所导致的,并再次验证该呼吸模局域在核附近区域。该研究对于表征和研究量子点中的限制性声学模具有重要意义,声学模和光学跃迁均局域在量子点附近区域的特性,对调控其激子-声子耦合和相关的光学性质具有重要指导意义。

我们通过共振拉曼光谱测量了转角多层石墨烯的层间振动模式: 剪切模和呼吸模。根据改进的线性模型, 我们发现在转角多层石墨烯界面处的层间呼吸耦合与正常Bernal堆垛多层石墨烯的强度相当。此结果明显不同于层间剪切耦合, 后者在转角多层石墨烯界面处的层间剪切耦合减弱到了正常Bernal堆垛多层石墨烯的20%。另外, 我们首次发现层间呼吸耦合存在着次近邻原子层之间的相互作用, 其强度为最近邻的9%。我们发现当采用与界面层间旋转角度相对应的激发光时, 转角多层石墨烯的拉曼信号得到极大的增强。为此, 我们引入光学跃迁允许的电子联合态密度的概念, 通过理论计算, 我们发现这种联合态密度的极大值决定了拉曼信号共振线型的激发光能量极值。本研究表明, 层间振动模式是探测二维层状异质层间耦合的有效手段, 为其在器件应用方面的研究奠定了基础。

我们将四片布拉格体光栅技术集成到单光栅拉曼光谱仪中, 并且成功地探测到2至19层二硫化钼(MoS2)的层间剪切模和层间呼吸模。我们根据对称性分析和偏振拉曼的结果对所有观察到的模式进行了指认。同时, 我们利用简单的“单原子线性链”模型得到了适用于任何二维层状晶体材料层间振动模的频率随层数变化关系的解析形式。根据此模型, 我们发现层间弱范德瓦耳斯力作用决定了剪切模和呼吸模的频率随层数的变化。我们将此结果推广到ABC堆垛的多层石墨烯材料, 发现光学衬度方法无法鉴别的AB和ABC型石墨烯可以利用能否观察到剪切模来加以鉴别。此研究结果也提供了准确地确定二维层状材料的厚度的一种新方法, 为一般二维层状材料基本性质和器件应用方面的研究奠定了基础。

我们利用微机械剥离方法制备了三层石墨烯。在此基础上, 利用两室气体传输法, 以三氯化铁和钾为化学掺杂剂, 成功合成了三层石墨烯的一阶p型和n型插层化合物。三层石墨烯的高分辨率拉曼光谱具有独特的2D谱峰线形, 该线形可以用作指纹来鉴别三层石墨烯。三层石墨烯一阶插层化合物的拉曼光谱表明, 三氯化铁和钾的插层掺杂使得三层石墨烯的层间耦合作用严重减弱, 掺杂剂层之间的每一层石墨烯都具有重掺杂单层石墨烯的物理性质。具有纳米级厚度的多层石墨烯插层化合物的成功制备将为石墨烯在重掺杂情况下的基础物理研究和石墨烯的微纳光电子器件研究打下良好基础。

通过多种光谱手段研究了GaNAs量子阱和体材料中的局域态和非局域态的不同光学特性.在超短激光脉冲激发下,第一次在GaNAs/GaAs量子阱发光光谱中,观察到非局域激子发光.选择激发光谱表明,局域中心主要聚集在GaNAs、GaAs异质结界面.在低N含量的GaNAs体材料发光光谱中,除了与N相关的局域态发光外,也发现发光特性完全不同的GaNAs合金态发光.这些结果为理解Ⅲ-V-N族半导体的异常能带特性具有十分重要的意义.

在本文中我们首次报道了p型掺杂的自组织Si/Ge量子点中空穴能级子带间的电子拉曼散射,此电子跃迁的能量为105meV.Si/Ge量子点Ge-Ge模的共振拉曼散射表明此空穴能级间的电子拉曼散射与Γ点附近的E0(≈2.52eV)发生了共振,而E1的能量小于2.3eV.变温实验和偏振实验进一步证实了我们的指认.所有观测的实验数据与6-bandk p能带结构理论的计算结果吻合得很好.

本文详细地研究了原始生长和退火处理后的Si/Ge量子点的拉曼光谱.我们观测到了Si/Ge量子点的一系列本征的拉曼振动模以及Ge-Ge模的LO和TO声子峰间4.2cm-1的频率劈裂.通过这些参数, 我们自洽地确定了原始生长的平面直径为20nm和高为2nm的Si/Ge量子点内Ge的平均组分为80%,平均应变为-3.4%.分析清楚地表明了这种小尺寸的Si/Ge量子点内的应变仍遵从双轴应变,并且应变的释放主要由量子点和Si隔离层间Si-Ge原子互扩散决定.

对分子束外延生长的GaNAs外延层进行了拉曼散射研究,观测到了由于导带中的E+态所引起的共振散射和由此产生的布里渊区非Γ点声子的拉曼峰.清晰地观测到了随氮含量增大,氮在GaAs中的局域模振动演变为GaNAs中的类GaN晶格声子带模.通过样品在850度快速热退火前后拉曼谱的对比,推测性地指认了两个与氮的成对或成团效应有关的振动峰.

制备出了尺寸在μm量级的球形玻璃微腔,在球形微腔中嵌入了CdSeS半导体纳米团簇结构.用一束激光激发单个微球时,球形微腔中CdSeS量子点的发光通过全内反射实现了球形回音壁模式的腔模共振,实现了受限电子态和光子态的耦合.