近日，由韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)（POSTECH）物理學(xué)系的Hyeongwoo Lee和Sujeong Kim等人提出了一種新型的量子隧穿高速納米激子調(diào)制器，并利用RHK公司研發(fā)的掃描探針顯微鏡控制器-R9 Plus自主搭建了相關(guān)測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了在高達(dá)8 MHz頻率下的激子-三重子互變，為納米光電器件的發(fā)展帶來(lái)新突破。該成果以“Quantum tunneling high-speed nano-excitonic modulator”為題發(fā)表于《Nature Communications》上。
a)量子隧穿納米等離子體腔和高速激子-三重子轉(zhuǎn)換示意圖。
b) MoS2單層與等離子體Au尖端接觸的能帶圖。
c) 結(jié)合自相關(guān)測(cè)量裝置的量子隧穿納米等離子體腔（QNC）原理圖。
本文中作者將傳統(tǒng)的光譜與自制的shear-force AFM 系統(tǒng)相結(jié)合，利用掃描探針顯微鏡控制器-R9 Plus準(zhǔn)確控制針尖和樣品之間的距離，其中Au 尖端由優(yōu)化的電化學(xué)蝕刻工藝制成，被固定在諧振頻率為 32.768 kHz 的石英音叉上。同時(shí)，為了電場(chǎng)模塊能夠順利構(gòu)建量子隧穿納米等離子體腔，針尖和樣品均與函數(shù)發(fā)生器建立電連接。通過(guò)在針尖和樣品之間施加電位差的方式，成功在兩者之間感應(yīng)出局部電場(chǎng)，并利用基于R9 Plus的STM技術(shù)讀取了隧穿電流。由此可見(jiàn)，本文作者設(shè)計(jì)搭建的表征平臺(tái)充分展現(xiàn)了RHK公司SPM控制器的靈活性和兼容性。
圖文展示：
量子隧穿納米等離子體腔QNC中光場(chǎng)和電勢(shì)的空間分布
a. 當(dāng)尖端與HfO?的距離為2 nm時(shí)，有（右）和沒(méi)有（左）HfO?層時(shí)光場(chǎng)強(qiáng)度 |EZ|2 的分布。
b. 不同尖端-HfO?距離下在xy平面內(nèi)的 |EZ|2 分布。尖端-樣品距離表示為d。橫截面視圖的z位置沿（a）中的白色虛線（MoS?單層）固定。
c. 當(dāng)d = 2 nm時(shí)，在尖端施加直流偏壓后，有（右）和沒(méi)有（左）HfO?層時(shí)電勢(shì)的分布。
d. 由（a）和（c）中的白色虛線得出的光場(chǎng)強(qiáng)度 |EZ|2（黑色虛線）和電勢(shì)（藍(lán)色填充區(qū)域）的分布輪廓。
通過(guò)光和電控制實(shí)現(xiàn)納米級(jí)激子-三重子exciton-trion相互轉(zhuǎn)換
a. 二硫化鉬（MoS?）單層的光致發(fā)光（PL）光譜隨尖端-樣品距離變化的等高線圖。
b. 由（a）得出的X0（紅色）和X-（藍(lán)色）發(fā)射強(qiáng)度隨距離的變化。
c. 當(dāng)尖端-樣品距離小于3 nm（量子隧穿區(qū)域）時(shí)，MoS?單層的PL光譜隨Vtip的變化。
d. 當(dāng)金尖端上的VtipDC為 +10V（頂部）、0V（中部）和 -10V（底部）時(shí)，MoS?單層的洛倫茲擬合PL光譜。（a）和（c）中的黑色虛線表示X0和X-的能量。
激子-三重子exciton-trion高速電調(diào)制的自相關(guān)測(cè)量
a. 描繪在二硫化鉬（MoS?）單層中，隨著調(diào)制幅度極性不同，激子行為改變的示意圖。左圖和右圖分別表示向X-主導(dǎo)狀態(tài)和X0主導(dǎo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
b. 在固定幅度為 +5V（X0調(diào)制）和激發(fā)功率約為150μW的情況下，不同調(diào)制頻率下電調(diào)制光致發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量符合計(jì)數(shù)。
c. 在激發(fā)功率約為3.5mW時(shí)，X-轉(zhuǎn)換（ - 5V，藍(lán)色）和X0轉(zhuǎn)換（ + 5V，紅色）的高速電調(diào)制。τ和VtipAC分別代表激子調(diào)制周期和金尖端上的交流偏壓。
本研究展示了量子隧穿納米等離子體腔在觀測(cè)高速光電現(xiàn)象及其電調(diào)制方面的潛力和多功能性。實(shí)驗(yàn)研究，包括納米級(jí)靜電摻雜和對(duì)納米光電特性的亞衍射極限分析，為納米尺度行為提供了全面的見(jiàn)解。作者的研究延伸到了對(duì)激子準(zhǔn)粒子的高速電調(diào)制，推動(dòng)了各種利用修飾復(fù)合動(dòng)力學(xué)、非線性效應(yīng)、谷極化和輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)的納米光電器件平臺(tái)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)超快納米激子調(diào)制器開(kāi)辟新的途徑。
利器介紹：
為滿足用戶的需求，RHK公司的掃描探針顯微鏡控制器不斷進(jìn)階，其R9 Plus已成功升級(jí)至R10。全新的 R10 秉持更為前沿的模塊化設(shè)計(jì)理念，旨在滿足研究人員更高的定制要求。R10可提供多達(dá)2個(gè)超高速ADC、2個(gè)超高速DAC、6個(gè)鎖相放大器、2個(gè)鎖相環(huán)。
用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝的R10控制器、高壓放大器、壓電陶瓷馬達(dá)控制器實(shí)物圖
性能升級(jí)：
> 全新的FPGA固件構(gòu)架地提高了配置靈活性
> 對(duì)于測(cè)量提供了60多個(gè)可用的數(shù)據(jù)通道
> 數(shù)據(jù)流和掃描速度均提高5倍
> 優(yōu)化的高壓輸出電路板，噪聲水平降低到R9控制器的1/4
> 兩個(gè)掃描探針控制系統(tǒng)
> 可設(shè)置任意密度的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行圖譜測(cè)量
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