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制器，并利用RHK公司研發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展帶來新突破。該成果以“Quantum tunneling high-speed nano-excitonic modulator”為題發表于《Nature Communications》上。

a)量子隧穿納米等離子體腔和高速激子-三重子轉換示意圖。

b) MoS2單層與等離子體Au尖接觸的能帶圖。

c) 結合自相關測量裝置的量子隧穿納米等離子體腔（QNC）原理圖。

本文中作者將傳統的光譜與自制的shear-force AFM 系統相結合，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建量子隧穿納米等離子體腔，針尖和樣品均與函數發生器建立電連接。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（藍色填充區域）的分布輪廓。

通過光和電控制實現納米級激子-三重子exciton-trion相互轉換

a. 二硫化鉬（MoS?）單層的光致發光（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高速電調制的自相關測量

a. 描繪在二硫化鉬（MoS?）單層中，隨著調制幅度極性不同，激子行為改變的示意圖。左圖和右圖分別表示向X-主導狀態和X0主導狀態的轉變。

b. 在固定幅度為 +5V（X0調制）和激發功率約為150μW的情況下，不同調制頻率下電調制光致發光強度的測量符合計數。

c. 在激發功率約為3.5mW時，X-轉換（ - 5V，藍色）和X0轉換（ + 5V，紅色）的高速電調制。τ和VtipAC分別代表激子調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象及其電調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展，為實現超快納米激子調制器開辟新的途徑。

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。

用戶現場安裝的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固件構架地提高了配置靈活性

> 對于測量提供了60多個可用的數據通道

> 數據流和掃描速度均提高5倍

> 優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

> 可設置任意密度的網格點進行圖譜測量

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