🔬 材料科学

Optical Thermometry in Monolayer WS2: Raman and Photoluminescence Spectroscopy from 5 K to 1273 K

本文通过证明 $A_{1g}$ 拉曼模式的线性温度依赖性以及光致发光发射的连续红移分别基于晶格非谐性和带隙重整化提供了可靠且独立的温度指示器，建立了一个涵盖 5 K 至 1273 K 单层 $\text{WS}_2$ 的全面非接触式光学热测量框架。

原作者： Gyeongjun Lee, Antoine Borel, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Fausto Sirotti, Fabian Cadiz

发布于 2026-10-27

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CC BY 4.0

原作者： Gyeongjun Lee, Antoine Borel, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Fausto Sirotti, Fabian Cadiz

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一个由如此薄的材料构成的世界，它们仅有一个原子层厚。这些是二维晶体，一类行为迥异于我们日常接触到的固体块状物的物质。由于它们如此之薄，它们对周围环境极其敏感，会对热量、光照以及它们所承载的材料产生强烈的反应。在这些材料中，一种看起来像闪烁金属片的二硫化钨材料，已成为科学家构建未来电子器件时的宠儿。为了了解这些微小薄片的工作原理，研究人员必须极其精确地了解它们的温度。然而，测量只有几个原子厚的物体的热量是一个悖论：你无法在上面贴上温度计，否则会遮盖住它或改变它的行为。多年来，科学家们一直利用光来窥视这些材料内部，观察它们的颜色或振动如何随着升温而变化。但这些光学技巧通常只能在很窄的温度范围内发挥作用，在过冷或过热时就会失效。

来自法国和日本的一个研究小组现在解决了这个针对二硫化钨的问题，创造了一种可靠的方法，可以测量其从深空般的极寒到熔炉般的酷热下的温度。他们证明了通过将激光照射在单层这种材料上，只需通过分析反射回来的光或发出的光，就能读取其温度。这种方法适用于极大的范围，从仅比绝对零度高出几度的5开尔文，一直到大多数材料都会熔化或破碎的1273开尔文。他们成功的关键不仅在于发现了一个新窍门，还在于证明了两种不同的读取光线的方式——一种基于原子的振动，另一种基于材料的发光——可以协同工作以覆盖整个热谱。

研究人员首先准备了两种单层材料样本。一种是裸露的，放置在一个可以通过电流加热的特殊薄膜上。另一种则被夹在两层被称为六方氮化硼的不同材料之间，后者起到了保护盾的作用。他们将这些样本放入一台可以使其冷却至接近绝对零度并再次升温的机器中，同时用一束聚焦在表面微小点的激光进行照射。随着温度的变化，他们记录了来自样本的光。对于裸露样本，他们只能测量原子的振动（即拉曼散射），因为强烈的激光光线否则会破坏用于发光的微妙电子态。对于受保护的样本，这层屏蔽层防止了这种干扰，使他们能够同时测量振动和发光。

第一个发现是，在室温上升到1223开尔文的过程中，裸露材料中的原子振动呈现出完美的直线变化。具体而言，一种特定的振动模式随着材料变热而稳步降低其音调。这种偏移以一致的速率发生，使研究人员能够将其作为温度的标尺。他们发现，裸露材料对热的敏感度略高于受保护的材料，这可以理解，因为第二种样本中的保护层将原子固定在原位，防止它们像自由状态下那样膨胀。这种差异至关重要：这意味着从裸露薄片获取的温度读数不能在不经过调整的情况下直接应用于受保护的薄片。研究人员证实，这种线性关系在超过900度的范围内保持有效，这比以往任何针对该材料的研究范围都要广得多。

研究的第二部分侧重于发光，或称光致发光，这只能在受保护的样本中清晰观察到。在极低温度下，材料发出一种复杂的色彩组合，但随着升温，这些色彩会合并成一条明亮的单色光线。研究人员追踪了随着温度攀升至1273开尔文，这种光的精确能量。他们发现，光向光谱的红端移动，呈现出一条平滑且可预测的曲线，这与描述热量如何影响原子能隙的已知物理模型相吻合。这种光辉提供了第二种独立的测量温度的方法。在较低温度下，由于振动过于细微而难以准确测量，这种光辉显得锐利且精确；在较高温度下，虽然光辉变得更宽且难以定位，但在达到实验上限之前仍保持可测量性。

通过结合这两种方法，该团队创建了一个完整的测量热量的工具箱。振动法在高温时表现最佳，而发光法在低温和中间范围表现出色。两者共同覆盖了从5到1273开尔文的整个跨度。研究人员还发现，保护层不仅仅是让他们看到了发光，它们实际上还帮助材料在更高温度下生存下来。裸露样本在1223开尔文左右开始瓦解并失去信号，很可能是因为硫原子开始蒸发。然而，受保护的样本在1273开尔文时仍保持完好且可测量，这表明屏蔽层不仅提高了数据的质量，还延长了材料在极端热量下的寿命。

这项工作之所以重要，是因为它消除了开发未来纳米器件的一个主要障碍。设计使用这些超薄材料电路的工程师需要确切知道它们变得有多热，以防止损坏或故障。在这项研究之前，没有可靠的方法可以在不接触的情况下，在如此广泛的范围内检查单层材料的温度。现在，科学家们只需照射激光并读取结果，无论是在研究处于低温实验室还是高温工业过程中的材料。该研究证实了这些光学信号是稳健且可预测的，提供了一种从最寒冷的深空到最热的工业过程都适用的非接触式温度计。虽然1273开尔文的上限是由实验中所使用的设备而非材料本身决定的，但结果表明，通过适当的保护，这些材料可以承受更加极端的条件，为高温电子器件和传感器领域开启了新的应用大门。

技术摘要：单层 WS₂ 的光学热测量（5 K 至 1273 K）

问题陈述
可靠的温度测量对于表征和设计二维（2D）半导体器件至关重要。然而，传统的接触式传感器对于原子级薄层并不实用，且现有的针对二维材料的光学热测量方法通常局限于较窄的温度窗口，其跨度通常仅为几百开尔文且低于 ~550 K。此外，拉曼光谱所需的高功率激光照射会导致非封装样品发生光掺杂，从而掩盖光致发光（PL）信号。目前缺乏一个综合框架，能够同时在超宽温度范围内（从低温到接近解离温度）获取拉曼和 PL 可观测物理量，并兼顾不同的封装条件。

实验方法
作者建立了一个用于单层二硫化钨（WS₂）的光学热测量框架，其温度范围为 5 K 至 1273 K，使用了两种不同的样品配置，均安装在悬浮碳化硅（SiC）微加热器薄膜上：

非封装样品： 将机械剥离的 WS₂ 直接转移到 SiC 薄膜上。该样品用于室温（RT）至 1223 K 的拉曼光谱测量。由于光掺杂效应，该样品无法进行 PL 测量。
hBN 封装样品： 通过干盖印转移技术组装的异质结构（hBN/WS₂/hBN）。这种配置抑制了光掺杂，使得在整个 5 K 至 1273 K 范围内同时进行拉曼和 PL 测量成为可能。

温度控制通过两个阶段实现：使用带有 Cernox 温度计的氦流低温恒温器实现 5 K 至室温的控制；以及在真空条件下通过 SiC 薄膜的电阻加热实现室温至 1273 K 的控制，并根据制造商提供的电流-温度转换曲线进行校准。光学测量使用 514.5 nm 连续波激光。拉曼光谱在约 1 mW 功率下采集；而封装样品的 PL 光谱则使用降低后的功率（<10 µW），以防止光诱导加热。

关键结果

拉曼热测量（ $A_{1g}$ 模式）：
- 面外 $A_{1g}$ 拉曼模式在 100 K 以上表现出随温度线性红移的特性。
- 非封装 WS₂： 斜率为 $-0.0138 \pm 0.0002 \text{ cm}^{-1}/\text{K}$ （在 298–1223 K 范围内拟合）。
- hBN 封装 WS₂： 斜率为 $-0.0121 \pm 0.0001 \text{ cm}^{-1}/\text{K}$ （在 100–1273 K 范围内拟合）。
- 作者指出，两种配置之间的灵敏度存在约 12% 的差异，这归因于 hBN 层（具有负热膨胀系数）的机械约束限制了 WS₂ 的晶格膨胀。这表明，在没有重新表征的情况下，校准结果不能在裸露样品和封装样品之间直接通用。
- 非封装样品在约 1223 K 以上会因硫升华而发生解离，而封装样品在高达 1273 K 时仍能保持完整。
光致发光（PL）热测量：
- 在 hBN 封装样品中，中性激子发射（ $X^0_A$ ）可作为独立的温度指示器。
- 峰值能量： $X^0_A$ 峰从 5 K 到 1273 K 持续发生红移。数据可以用 Pässler 半经验模型很好地描述，该模型考虑了热晶格膨胀和电子-声子耦合。该模型给出的高温斜率（ $\alpha$ ）约为 $\approx 3.74 \times 10^{-4} \text{ eV/K}$ 。
- 线宽： $X^0_A$ 峰的全宽半高全宽（FWHM）在 250 K 至 1000 K 之间随温度线性增加，斜率为 $0.129 \pm 0.002 \text{ meV/K}$ 。
- 灵敏度： PL 峰能量的灵敏度（ $\approx 2 \times 10^{-4} \text{ K}^{-1}$ ）显著高于拉曼位移（ $\approx 3 \times 10^{-5} \text{ K}^{-1}$ ），使其在 ~80 K 至室温之间能够实现亚开尔文级的分辨率。然而，在高温（>900 K）下，PL 线宽的展宽降低了精度，导致温度不确定度约为 12 K，与拉曼法相当。

主要贡献

超宽范围： 本研究展示了能够在 5 K 至 1273 K 范围内进行光学热测量的单一二维材料系统，这一范围在以往的单一研究中尚未实现。
双指标框架： 本工作建立了两种不同的非接触式热测量指标：对晶格非简谐性敏感的 $A_{1g}$ 拉曼模式，以及对带隙重整化敏感的 $X^0_A$ PL 峰。
封装效应： 本文量化了 hBN 封装对热灵敏度的具体影响，显示出拉曼斜率的测量减小，并实现了在原本会发生光掺杂的样品上进行 PL 测量。
稳健性： 悬浮 SiC 平台允许进行局部加热而不产生空间漂移，且 hBN 封装增强了热稳定性，使样品能够在裸露单层发生解离的高温下保持完好。

意义与主张
作者声称已建立了一个全面的光学热测量框架，连接了二维半导体的低温与接近解离温度之间的鸿沟。他们强调，虽然拉曼指标在 100 K 以上提供简单的线性校准，但 PL 指标将范围扩展到了拉曼位移难以分辨的低温区域。这两种方法是互补的：PL 在较低温度下提供更高的灵敏度，而拉曼在 PL 无法获取的非封装样品中仍然适用。

论文也谨慎地指出，1273 K 的上限温是由加热芯片的安全限制而非封装样品的失效决定的，这表明其可用范围可能还可以进一步扩展。这项工作为二维器件提供了一种实用的非接触式温度计，但需注意，其校准是针对特定样品配置（封装 vs 非封装）的，不能在两者之间直接转移。

技术摘要：单层 WS₂ 的光学热测量（5 K 至 1273 K）

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