科學新知：2021 Adv. Sci. 綜觀二維材料的光學檢測，促進下一代材料元件的發展
Advanced Science (IF 16.808) 在2021年10月刊登了台灣大學Hsuen-Li Chen等人的研究。光學檢測是一種快速且無損的表徵二維 (two-dimensional, 2D) 材料特性的方法。借助光學檢測具備可即時且大量監測的優勢，產業實施大規模檢測2D材料特性的目標已非遙不可及，進一步加速2D材料的量產與相關生產設備的發展，均已取得長足的進步。此篇研究回顧了幾個重要的2D材料的結構特性，包括石墨烯、過渡金屬二硫屬化物 (TMDC，如：MoS2)、六方氮化硼 (h-BN)、III族單硫族化物、黑磷 (BP)和IV族單硫屬化物，並討論如何將它們使用合適的光學檢測技術進行準確探測。
文中作者總結了這些光學檢測技術的主要特徵 (見表1)。根據它們的基本功能，可以分為四類。
第一，光譜學 (optical spectroscopy, OS)、光譜橢偏儀 (spectroscopic ellipsometry, SE)、FTIR光譜學和X射線光譜 (X-ray spectroscopy, XRS) 包括X射線散射/衍射/反射率是可被用於從各種2D材料獲得寬帶或全向光譜的技術。
第二，拉曼 (Raman) 和PL光譜是強大的技術，可提供有關2D材料精細結構特徵的豐富信息。
第三，s-SNOM、nano-FTIR和AFM-IR光譜方法是基於AFM的技術，因此它們可以實現最高的空間分辨率。
第四，單光子發射 (single-photon emission)、TRPL和泵浦探針光譜 (pump-probe spectroscopy, PPS) 為表徵2D材料提供了與時間相關的光學特徵；可以獲得有關載流子動力學的信息，包括載流子-光子、載流子和載流子-聲子相互作用。
表1中的”勾號(✓)”，表示此類結構特性或特性可以被檢查並易於量化；”三角標記(Δ)”是指這些特性會影響從光學檢測技術中獲得的信號，但它們的量化是不可能的或仍需要進一步研究；”空白單元”則表示之前沒有報導過關於使用光學檢測技術來檢測2D材料中的此類特性的研究。
表1：用於探測二維材料的光學檢測技術的特點。
此外，作者描述了將光學檢測應用於最近開發的2D材料時，從機械剝離到晶圓級生長的2D材料，所面臨的挑戰和機會。最重要的是，作者總結了可用於大量和精確地增強來自2D材料的光信號的技術。希望藉全面的回顧，可在開發新型2D材料設備方面取得更大進展。
最廣泛研究的2D材料的示意圖。
2D材料的摻雜相關光學特性。(g)當p型摻雜的MoS2的PL光譜越來越受激子發射 (X0) 的支配，它具有更高的輻射量子效率和更高的發射能量，並且隨著p型摻雜濃度的增加，trion發射的光譜權重 (IX- /Ittotal)降低。
本文關鍵字：2D材料、2D Material、光學檢測、optical inspection、量子效率、quantum efficiency
