自然—通讯：观测到二维极性材料中光学声子的奇异行为

2024年3月2日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的朱学涛研究员和郭建东研究员在Nature Communications上发表了题为“Observation of the nonanalytic behavior of optical phonons in monolayer hexagonal boron nitride”的论文。

该研究利用自主研发的具有能量-动量二维成像解析能力的高分辨率电子能量损失谱仪(2D-HREELS)，全面研究了典型二维极性材料单层六方氮化硼(h-BN)中LO声子的非解析行为，并研究了其二维PhP的性质，成功观测到了单层h-BN的所有声子模式从布里渊区中心到边界的色散。

博士生李佳德为第一作者，朱学涛研究员和郭建东研究员为共同通讯作者。

光学声子对材料的光、电、热等物理性质起着至关重要的作用。特别是，纵向光学(LO)声子的行为由于材料的极性而与众不同。在非极性材料中，无论是三维(3D)还是二维(2D)系统，晶格对称性保证了LO和横向光学(TO)声子在布里渊区中心具有零色散斜率的简并(图1a)。然而，在极性材料中，LO声子的晶格振动会产生额外的长程电场，进而对极性晶格施加长程库仑力。

长程库仑相互作用显著改变了LO声子的行为。在3D情景中，长程库仑相互作用使LO声子的频率在布里渊区中心附近升高，导致与TO声子的能量劈裂，称为LO-TO劈裂(LO-TO splitting)(图1b)。已经有大量的实验报道表明，LO-TO劈裂普遍存在于3D极性材料中。然而，在2D情景中，LO声子不再与TO声子发生劈裂。在过去的二十年中，各种理论模型预测，在2D单层中，LO声子与TO声子在布里渊区中心简并，并呈现“V”形色散的非解析行为(图1c)。

更有意思的是，极性材料中的LO声子与其声子极化激元(Phonon polariton, PhP)密切相关。之前有理论表明，二维极性单层中LO声子的非解析行为使得LO声子等价于二维PhP。二维PhP被预测具有优异的光学特性，如超慢的群速度和超高的光限域。然而，现有对二维极性单层中LO声子或PhP的测量无法获得从布里渊区中心到大动量范围的完整色散行为，因此难以全面理解PhP的物理性质。当前，迫切需要对严格二维极性单层中LO声子的非解析行为进行全面的实验研究，这对于基础研究和未来应用都非常重要。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF06课题组的朱学涛研究员和郭建东研究员指导博士生李佳德等，利用自主研发的具有能量-动量二维成像解析能力的高分辨率电子能量损失谱仪(2D-HREELS)，全面研究了典型二维极性材料单层六方氮化硼(h-BN)中LO声子的非解析行为，并研究了其二维PhP的性质。通过2D-HREELS的高精度测量，他们成功观测到了单层h-BN的所有声子模式从布里渊区中心到边界的色散(图2c、d)。基于此，他们证明了LO声子色散确实具有“V”形的非解析行为(图3a、b)：首先，LO和TO声子在布里渊区中心简并;其次，LO声子的色散在布里渊区中心附近呈现有限的正斜率。

此外，他们还研究了衬底电子的屏蔽效应对LO声子行为的影响。通过对比Cu箔和Cu单晶衬底上生长的单层h-BN的不同LO声子行为，表明衬底与h-BN的距离是影响屏蔽强度的一个关键因素。对Cu单晶上单层h-BN的测量发现，其LO声子的线性色散行为被完全抑制，在布里渊区中心表现为“U”形的色散(图3d、e)。相比于表面原子级平整的Cu单晶，Cu箔的粗糙表面增加了其与h-BN的平均距离，导致Cu箔衬底的电子对h-BN屏蔽不完全，从而保留了“V”形的非解析色散行为。

该研究还发现，Cu箔的特殊屏蔽作用显著降低了单层h-BN中LO声子色散的斜率。这使得单层h-BN/Cu箔体系中的PhP表现出超越了独立二维单层h-BN的超慢群速度(~ 5 × 10−6c, c为光速)和超高光限域(~ 4000倍于自由空间光的波长)(图4a、b)。最后，他们还将2D-HREELS与当前测量PhP的主流手段(Raman、s-SNOM和STEM-EELS)进行了对比。发现当前主流的探测手段虽然很适合测量厚层样品的PhP，但是对测量单层材料的PhP却极具挑战性。基于此，他们引入2D-HREELS作为测量二维PhP的新方法，与当前主流的探测手段形成了很好的互补。该工作揭示了二维极性材料中LO声子行为的基本规律，为将来二维PhP的研究和应用奠定了物理基础。

本研究中，中国科学院物理研究所王理副研究员提供了Cu箔衬底上单层h-BN样品的支持，北京大学彭海琳教授和博士生王雅妮提供了Cu单晶衬底上单层h-BN样品的支持。

图1：不同极性体系的LO声子在布里渊区中心附近行为示意图。

图2：单层h-BN/Cu箔的表面表征和HREELS声子谱。

图3：铜箔和铜单晶衬底上单层h-BN中LO声子色散的比较。

图4：单层h-BN的二维声子极化激元特性。