近日，中国科学院半导体研究所谭平恒研究员团队联合厦门大学任斌教授团队在二维材料物性研究领域取得突破。他们开发了一种通用的等离激元增强拉曼光谱技术，成功“唤醒”了二维材料弱电声耦合作用或拉曼禁戒所导致原本难以探测的振动信号，为揭示二维材料及其复合结构的层间耦合微观机制提供了全新手段。
二维材料及其复合结构是下一代量子器件的关键材料体系，其性能本质上由层间耦合强度决定。层间呼吸振动作为反映堆叠状态与界面耦合作用的直接探针，但在某些材料中却因为其电声耦合作用极其微弱或拉曼禁戒，在传统拉曼光谱中几乎“不可见”，成为制约界面物理研究的长期瓶颈。
团队创新性地利用金属纳米腔对光场的亚波长束缚与局域增强效应，在金/银纳米腔与二维材料耦合的复合体系中，实现了对层间呼吸模的高灵敏度检测。该方法不仅适用于多层石墨烯、六方氮化硼等多种材料体系，还首次发现等离激元可调制振动模式的偏振特性，突破了传统拉曼选择定则的限制。
为进一步揭示增强机理，团队建立了电场调制的层间键极化率模型（E-IBPM），从理论上量化了局域电场增强与界面极化调制的协同作用，为实验观测提供了完整的物理图像。该工作标志着二维材料层间声子探测进入“增强可量化”阶段，并为探测层间激子等更多微弱准粒子打开了新窗口。
相关成果以“Plasmonic nanocavity-enabled universal detection of layer-breathing vibrations in two-dimensional materials”发表于Light: Science & Applications。
研究介绍
二维材料中，层与层之间的微弱“呼吸”振动，隐藏着层间耦合和界面耦合的关键信息。但多层石墨烯和六方氮化硼呼吸振动的电声耦合作用极其微弱，其信噪比远低于探测极限，使得其呼吸模长期以来难以被传统光学手段探测，成为拉曼光谱表征领域的一个突出瓶颈。等离激元增强拉曼光谱（PERS）技术，通过金属纳米结构将光压缩在纳米尺度并产生极强的局域电场，已成为在原子层面解析材料性质的利器。该技术已成功应用于二维材料的表面形貌、边缘态及层内晶格振动等研究。有趣的是，这种层间振动在空间上的运动方式，与等离激元纳米腔产生的局域光场在尺度上天然匹配。这预示着，等离激元纳米腔有望专门增强这类曾被“忽视”的信号，并可能调控其性质。因此，系统探索等离激元纳米腔对层间呼吸模的增强与调控机理，发展定量描述该机理的理论模型，不仅是突破光学探测极限的重要技术基础，更是深入理解二维材料层间和界面相互作用的关键科学问题。
本研究提出一种基于金属纳米腔增强层间声子的普适探测新方法，用于探测多层石墨烯和六方氮化硼等二维材料中难以捕捉的层间振动模式。其基本原理在于：材料中振动模式的拉曼信号强度受其极化率及入射电场的共同调控。以多层石墨烯为例，通过在其表面直接沉积纳米尺度的岛状金纳米腔（图1a，b），利用该结构对多层石墨烯极化率的有效调制，以及表面等离激元共振效应，成功实现了对多层石墨烯层间呼吸模式的显著增强。扫描隧道显微镜和透射电子显微镜表征证实，金纳米腔以岛状结构均匀分布于石墨烯表面（图1b）。暗场散射光谱中出现的强共振峰（图1c），以及在633 nm激光激发下显著增强的低频拉曼信号（图1d），均表明所制备的金纳米腔具有良好的等离激元活性，可作为有效的等离激元增强拉曼光谱媒介。实验不仅观测到多层石墨烯中对应面内振动的G峰，还发现了一系列随层数变化的新低频模式。这些模式的频率远高于已知层间剪切模的最高频率，证实其来源于多层石墨烯的层间呼吸振动（图1e）。
图1：基于金纳米腔的PERS探测多层石墨烯中的拉曼模式
本研究进一步构建了一个定量理论模型，用于描述层间呼吸模式的增强机制。该模型同时考虑了金纳米腔对石墨烯界面极化率的调制作用，以及其所产生的强局域等离激元电场。电磁场仿真结果直观显示，金纳米腔周围形成了高度局域化的等离激元电场（图2a），并有效调制了界面处石墨烯层的极化率（图2b）。在此基础上，通过在传统层间键极化率模型（一种描述二维材料层间振动模式拉曼强度的理论模型）中引入电场和极化率调制效应，提出了电场调制层间键极化率模型（E-IBPM）。该模型成功复现了实验观测到的AuNCs/多层石墨烯体系中LB模的强度分布规律（图2c，2d）。此外，研究还通过使用不同金属（如银纳米腔）及不同形貌的纳米腔（通过改变退火温度实现，图2e），验证了该等离激元增强测量方法具有良好的普适性（图2f），为拓展其在各类范德华异质结界面表征中的应用奠定了基础。
图2：电场调制的层间键极化率模型
总结与展望
本研究发展了一种基于金属纳米腔的等离激元增强拉曼光谱方法，通过局域电场增强与界面极化率调制的协同作用，成功探测到多层石墨烯和六方氮化硼等二维材料中长期以来难以观测的层间呼吸模，突破了这种弱电声耦合体系中层间呼吸模的表征瓶颈。本研究建立的电场调制层间键极化率模型（E-IBPM），定量揭示了信号增强的物理机制，为理解二维材料界面耦合提供了可靠的理论工具。
展望未来，这类纳米腔“信号放大器”策略具备良好的通用性与拓展性，不仅可用于多种二维材料及其异质结，更有望应用于层间激子、界面声子极化激元等其它微弱准粒子的探测。该工作为二维量子材料的界面及物性研究打开了新窗口，也为未来设计高性能光电子器件提供了新的表征思路与实验基础。
