Nature子刊！ 掃描探針顯微鏡控制器助力納米光電器件新成果

近日，由韓國浦項科技大學（POSTECH）物理學系的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自主搭建了相關測量裝置，實現(xiàn)了在高達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尖接觸的能帶圖。

c) 結(jié)合自相關測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準確控制針尖和樣品之間的距離，其中Au 尖由優(yōu)化的電化學蝕刻工藝制成，被固定在諧振頻率為 32.768 kHz 的石英音叉上。同時，為了電場模塊能夠順利構(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出局部電場，并利用基于R9 Plus的STM技術讀取了隧穿電流。由此可見，本文作者設計搭建的表征平臺充分展現(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中光場和電勢的空間分布

a. 當尖與HfO?的距離為2 nm時，有（右）和沒有（左）HfO?層時光場強度 |EZ|2 的分布。

b. 不同尖-HfO?距離下在xy平面內(nèi)的 |EZ|2 分布。尖-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d = 2 nm時，在尖施加直流偏壓后，有（右）和沒有（左）HfO?層時電勢的分布。

d. 由（a）和（c）中的白色虛線得出的光場強度 |EZ|2（黑色虛線）和電勢（藍色填充區(qū)域）的分布輪廓。

通過光和電控制實現(xiàn)納米級激子-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-樣品距離變化的等高線圖。

b. 由（a）得出的X0（紅色）和X-（藍色）發(fā)射強度隨距離的變化。

c. 當尖-樣品距離小于3 nm（量子隧穿區(qū)域）時，MoS?單層的PL光譜隨Vtip的變化。

d. 當金尖上的VtipDC為 +10V（頂部）、0V（中部）和 -10V（底部）時，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)制的自相關測量

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-主導狀態(tài)和X0主導狀態(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)光強度的測量符合計數(shù)。

c. 在激發(fā)功率約為3.5mW時，X-轉(zhuǎn)換（ - 5V，藍色）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高速光電現(xiàn)象及其電調(diào)制方面的潛力和多功能性。實驗研究，包括納米級靜電摻雜和對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解。作者的研究延伸到了對激子準粒子的高速電調(diào)制，推動了各種利用修飾復合動力學、非線性效應、谷極化和輸運動力學的納米光電器件平臺的發(fā)展，為實現(xiàn)超快納米激子調(diào)制器開辟新的途徑。

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階，其R9 Plus已成功升級至R10。全新的 R10 秉持更為前沿的模塊化設計理念，旨在滿足研究人員更高的定制要求。R10可提供多達2個超高速ADC、2個超高速DAC、6個鎖相放大器、2個鎖相環(huán)。

用戶現(xiàn)場安裝的R10控制器、高壓放大器、壓電陶瓷馬達控制器實物圖

性能升級：

> 全新的FPGA固件構(gòu)架地提高了配置靈活性

> 對于測量提供了60多個可用的數(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

> 兩個掃描探針控制系統(tǒng)

> 可設置任意密度的網(wǎng)格點進行圖譜測量

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