過渡金屬二硫族化合物（TMDs）因其獨特的激子效應、高折射率和顯著的光學各向異性，在納米光子學領域展現出巨大潛力。本研究采用Flexfilm全光譜橢偏儀結合機械剝離技術，系統測量了多種多層TMD薄膜材料的光學常數。研究表明，半導體性TMD（如MoTe?）表現出極高的折射率（n∥≈4.84）和強雙折射（Δn≈1.54），而金屬性TMD（如TaS?）在近紅外波段顯示出雙曲型光學響應。這些結果為未來全TMD納米光子器件的設計提供了重要的數據支持，并指出了各向異性光調控的新方向。

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實驗方法：機械剝離與橢偏技術

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機械剝離的多層TMDs基底上的光譜橢偏測量示意圖

樣品制備： 采用機械剝離法（Scotch-tape method）從高質量塊體晶體制備多層TMD樣品。為提高測量精度，本文優化了干法轉移工藝：

• 通過加熱PDMS至60°C降低TMD薄膜粘附力，實現大面積均勻轉移（橫向尺寸>300 μm）；
• 半導體TMD薄膜（如MoS?）轉移至表面有自然氧化層（~1-3 nm）的硅襯底；
• 金屬性TMD薄膜（如TaS?）則轉移至3/8.8 μm厚的熱氧化SiO?/Si襯底，以增強光信號干涉調制。
  

厚度通過表面輪廓儀校準（范圍：50 nm - 數微米），確保全光譜橢偏對各向異性的敏感性。

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橢偏測量

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用于橢偏測量的剝離 TMD 薄片的示例性圖像

使用全光譜橢偏儀儀，在300-1700 nm波段（步長1 nm）和20°–75°入射角下測量Mueller矩陣。針對不同類型的TMD，采用定制化分析模型：

• 半導體TMD薄膜：采用多振蕩Tauc-Lorentz模型描述面內介電函數，單一紫外振子模型描述面外分量；
• 金屬TMD薄膜：引入Drude模型擬合自由電子響應，并結合干涉法提高數據可靠性；
• 雙軸薄膜：通過樣品旋轉測量分離ε??和ε??分量。
  

數據分析中嚴格考慮表面粗糙度、厚度不均和儀器帶寬效應，均方誤差（MSE）<10驗證了模型的準確性。

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半導體TMDs：高折射率與強各向異性

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單軸半導體 TMD 薄片的介電常數：(a) MoS?，(b) MoSe?，(c) MoTe?，(d) WS?，和 (e) WSe?

關鍵數據：

• 最高折射率：MoTe?在1550 nm處達 n∥≈4.84，遠超傳統材料（硅~3.47，砷化鎵~3.37）。
• 折射率趨勢：Mo基 > W基，且遵循 nMoS?< nMoSe??< nMoTe?，與DFT預測一致。 ?
• 低損耗窗口：近紅外區吸收可忽略，適用于低損耗波導與諧振腔。

各向異性：

1550 nm處常見TMDs的折射率與傳統半導體對比：(a) 面內折射率, (b) 面外折射率, (c) 雙折射率Δn=n∥?n⊥半導體TMD在1550 nm的光學參數對比

• 雙折射值Δn（n∥ - n⊥）：MoTe?最高（~1.54），是傳統雙折射材料（如TiO?, Δn≈0.3）的5倍以上，為偏振光學器件提供新可能。
• 面外折射率差異：n⊥范圍2.44（WS?）至3.3（MoTe?），導致顯著雙折射。

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金屬TMDs：雙曲行為與等離子體特性

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單軸金屬TMD薄片的介電常數：(a) TaS?, (b) TaSe?, (c) NbSe?

單軸金屬：

• TaS?/TaSe?：面內Re(ε)在~1110/1217 nm處由正轉負，面外Re(ε)始終為正 → 天然雙曲材料，支持等離子體應用。
• NbSe?：>1390 nm時介電函數實部全為負，面外負值源于洛倫茲響應（非自由電子）。

雙軸材料介電常數：(a) 半導體ReS?, (b) 金屬WTe?

雙軸金屬WTe?：

• 無近紅外雙曲性（多層削弱效應），但面內雙折射Δ(n?? - n??)高達~1.12（880 nm）。
• 800 nm附近異常各向異性：Re(ε??) > Re(ε??) > Re(ε??)。

本研究通過寬波段（300-1700 nm）全光譜橢偏儀測量，系統地分析了多層過渡金屬二硫族化合物（TMDs）的光學常數（折射率、介電函數、各向異性等）。研究包含半導體性（WS?/WSe?/MoS?等）、面內各向異性（ReS?/WTe?）和金屬性（TaS?/TaSe?等）TMDs，揭示了其高折射率（MoTe?達~4.84）、強光學各向異性（Δn≈1.54）和近紅外低損耗等特性，并發現金屬性TMD在1000-1300 nm范圍內存在雙曲型光學響應潛力。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數（如厚度）和物理參數（如折射率n、消光系數k）

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

本研究通過Flexfilm全光譜橢偏儀系統建立了10種TMDs薄膜的光學數據庫，揭示了高折射率（MoTe?, n4.84）、強雙折射（Δn1.54）及金屬TMDs的雙曲響應特性，為光伏與納米光子學薄膜分析提供關鍵技術支撐。原文出處:《Optical Constants of Several Multilayer Transition Metal Dichalcogenides Measured by Spectroscopic Ellipsometry in the 300?1700 nm Range: High Index, Anisotropy, and Hyperbolicity》

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