广东
从宏观宇宙到微观原子
人类对物质世界的认知
不断向更小尺度推进
近日，上海交通大学戴庆教授团队
发展出一种能够感知皮米
（万亿分之一米）级变化的
极化激元探测技术
为观测材料内部原子层间的微小变化
提供了全新手段
相关研究成果
登上国际学术期刊《自然》
该研究建立了一种基于双曲声子极化激元的新型光学技术，实现了对范德华材料层间微小形变的探测。研究团队在六方氮化硼（hBN）及其异质结体系中，揭示了原子尺度层间应变调控与光学响应的依赖关系，为纳米器件界面应力表征提供了技术支撑。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10638-w
范德华（vdW）层状材料能够承受巨大的应变场，这使其成为通过应变工程调控材料电子、光学以及磁学性能的重要平台。前期研究已能利用拉曼光谱或光致发光技术实现材料面内应变的二维空间成像。然而，目前针对材料面外（层间）方向形变的无创表征方案仍然缺乏，而这些微小的层间形变却对微纳光电器件的整体性能具有显著影响。
针对这一“看不清、摸不着”的表征难题，联合研究团队建立了一种基于极化激元的光学表征模型，巧妙利用面外双曲声子极化激元（oHPs）模式，实现了对范德华极性绝缘体——六方氮化硼（hBN）中层间形变的高灵敏度无损探测。其物理机制在于：当范德华材料的层间距被压缩时，其面外横光学（oTO）声子会发生“软化”（即频率红移），对层间距的微小改变极其敏感；但oTO声子具有暗态特性，在常规光谱难以直接表征。由于 hBN 的面外双曲声子极化激元色散特性由其面外纵光学（oLO）声子 和oTO声子共同决定，oHPs 的频率变化能准确反映oTO声子的软化红移(图1)。通过这一机制，微小至皮米级的晶格层间畸变被放大为红外光谱中清晰可测的特征频移，为微纳应变工程与光学精密测量提供了新思路。
图1. oHPs探测层间形变的概念模型与理论基础
为验证该方案的有效性，研究团队首先针对hBN开展了高压远场红外微区光谱的实验。结果表明，随着压力的增加，hBN 晶格层间距不断压缩，其中 oTO 声子频率显著降低，而 oLO 声子频率几乎保持不变，导致光谱中 oHPs 共振峰出现显著且连续的红移。随后，团队构建了碲量子点—氮化硼纳米管（Te-QDs/BNNT）异质结模型，并借助电子能量损失谱观测到，嵌入管壁缺陷的 Te 量子点对 BNNT 的局域层间距产生了显著压迫（图2）。通过上述系列实验，研究团队成功实现了对约10皮米量级微小层间位移的探测。
图2 纳米尺度复杂非平面异质结埋藏界面的定域oHPs形变传感
综上所述，该研究突破了传统光学在探测面外隐藏晶格畸变方面的局限，成功揭示了材料微观形变与纳米光学模式响应的依赖关系。未来，该技术有望在范德华异质结应变工程以及芯片封装局部应力分析等领域发挥作用。
声子极化激元技术探测层间形变的概念示意图
上海交通大学戴庆教授、国家纳米科学中心杨晓霞研究员、北京大学高鹏教授和苏州实验室丁峰研究员为共同通讯作者；国家纳米科学中心博士研究生张姝、上海交通大学长聘教轨副教授郭相东、北京大学物理学院博士后张潇文和苏州实验室博士研究生杨佳姝为论文共同第一作者；上海交通大学材料科学与工程学院博士后吴秉泽，博士研究生兰永鑫、史靖和冯凯骏参与了相关研究工作。研究获得了科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。
来源：上海交通大学
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