研究报告
本研究的主要作者包括来自英国格拉斯哥大学的Mairi McCauley，来自爱尔兰廷德尔国家研究所和科克大学学院的Lida Ansari、Farzan Gity和Paul K. Hurley，来自英国利兹大学的Matthew Rogers、Joel Burton、Satoshi Sasaki、Craig Knox和Timothy Moorsom，来自英国Daresbury的SuperSTEM实验室和利兹大学的Quentin Ramasse，以及来自格拉斯哥大学的Donald MacLaren。该研究成果以论文形式《Investigation of hybrid plasmons in a highly crystalline Bi2Se3/C60 heterostructure using low-loss electron energy loss spectroscopy》发表在国际知名期刊《Communications Materials》（自然合作期刊）上，于2025年正式出版。
学术背景 本研究的核心科学领域是凝聚态物理和材料科学，具体聚焦于拓扑绝缘体（Topological Insulators, TIs）的界面物理与表面等离子体激元（plasmon）调控。拓扑绝缘体是一种体态绝缘但表面存在受拓扑保护的导电态的新奇量子材料，其表面态具有高迁移率、低散射等优异特性，被认为是开发纳米尺度高频器件（如太赫兹、紫外光电器件）的潜在平台。然而，如何稳定、可调地操控拓扑绝缘体表面的二维（2D）等离子体激元性质，是走向实际应用的一个关键挑战。通过分子吸附对拓扑绝缘体表面进行掺杂，被认为是一种可能实现表面性质调控的有效途径。富勒烯（C60）因其高电子亲和能和化学稳定性，是一个理想的分子模型体系。然而，对于像Bi2Se3/C60这样的拓扑绝缘体/分子异质结，其界面处的相互作用机制，特别是对表面等离子体激元的影响，尚处于探索的早期阶段，且以往研究多局限于单分子层或缺乏对界面电子结构的直接、高空间分辨率探测。因此，本研究旨在通过制备高质量的晶体Bi2Se3/C60异质结，并利用先进的低损失电子能量损失谱（Low-loss Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS）技术，直接探测界面处的杂化等离子体激元行为，阐明C60分子层对Bi2Se3拓扑表面态和表面等离子体激元的调控机理，从而为设计可调谐的拓扑等离子体器件提供材料基础和方法论。
详细工作流程 本研究包含样品制备、表征测量、理论计算和数据分析等一系列严谨的步骤，构成了一个完整的实验与理论研究流程。
首先，在样品制备环节，研究团队在超高的连续真空环境下，利用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）系统，在c面蓝宝石（Al2O3）衬底上自调节生长了厚度约为15纳米（15个五重层，QL）的高质量Bi2Se3薄膜。随后，在维持超高真空的条件下，将样品转移至有机MBE腔室，在约100°C的衬底温度下，使用低温努森（Knudsen）池沉积了约80纳米厚的C60薄膜。这种连续真空生长技术避免了空气暴露或湿法处理，确保了界面洁净。为了进行透射电子显微镜（TEM）和EELS分析，研究团队利用聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）技术，从生长好的异质结上提取并减薄出厚度约35纳米的电子透明薄片（lamella）。至关重要的是，他们成功制备出了具有极高结晶质量的C60薄膜，其衍射图呈现锐利斑点，高分辨扫描透射电子显微镜（STEM）图像中甚至可以分辨出单个富勒烯分子柱，这在分子薄膜中非常罕见。
其次，在结构表征与光谱成像环节，研究利用STEM对样品横截面进行成像，确认了Bi2Se3、C60以及蓝宝石衬底各层的清晰界面和晶体结构。随后，研究团队使用装备单色器和探针校正器的SuperSTEM3仪器（Nion UltraSTEM 100MC Hermes）进行核心的低损失EELS谱成像。他们以100 keV的电子束能量，在横跨样品异质结的区域内，采集能量损失低于28 eV的EELS谱图。通过这种方法，他们获得了空间分辨的电子能量损失信息，能够区分体材料与界面处的不同激发模式。他们特别关注了与π电子相关的低能激发区域（约4-10 eV）。为了区分体相等离子体激元和界面特有的信号，研究还采用了基于经验介电函数的延迟场解析模型，对界面处的EELS响应进行了理论计算，用以与实验结果对比，从而凸显出仅存在于界面的激发特征。
第三，在动量分辨EELS测量环节，为了深入理解等离子体激元的色散关系（即能量与动量的关系），研究进行了动量分辨EELS（qEELS） 测量。这是本研究中一项关键且先进的技术。通过减小收集孔径、增加相机长度和会聚角，他们能够选择性地收集特定动量转移下的电子信号，从而沿布里渊区的高对称方向（Γ-M方向）测量了Bi2Se3体材料、Bi2Se3/Al2O3界面以及Bi2Se3/C60界面处π等离子体激元峰随动量的变化。这项技术使得区分二维等离子体激元（通常具有√q色散）和局域/共振模式（无色散或色散微弱）成为可能。
第四，在理论计算环节，为了从原子尺度理解界面相互作用的物理本质，研究团队进行了密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT） 计算。他们使用QuantumATK软件包，考虑了自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）和范德瓦尔斯修正，构建了Bi2Se3/C60界面模型。计算旨在揭示界面处的电荷转移、界面偶极矩的形成以及这些因素如何影响表面电子结构。
最后，在数据分析环节，研究人员对采集到的大量EELS谱图进行了细致的处理和分析。他们使用伪Voigt函数对等离子体激元峰进行拟合，以提取峰位、峰宽等信息。通过比较不同空间位置（从体材料到界面）的谱线，识别出界面特有的激发模式。通过分析qEELS数据，拟合色散曲线，量化了二维电子气密度等关键参数。将DFT计算预测的电荷分布与EELS观测到的谱学变化进行关联，构建了从微观电荷转移到宏观光学响应的完整物理图像。
主要结果 研究在各个流程中获得了系统且相互印证的实验结果，层层递进地揭示了Bi2Se3/C60界面的独特物理性质。
高质量的异质结与界面特异性谱学特征：STEM成像证实了制备的Bi2Se3/C60异质结具有原子级尖锐的界面和高度结晶的C60层。EELS谱图显示，在Bi2Se3体材料中观察到约7 eV的π等离子体激元峰和约16.8 eV的π+σ等离子体激元峰；在C60体材料中，观察到一系列特征峰，包括5.8 eV处的分子内带间跃迁和6.8 eV处的π-等离子体激元峰。然而，在Bi2Se3/C60界面处，出现了一个位于6.3 eV的新的激发峰。这个峰的能量既不同于Bi2Se3体材料的π等离子体激元（7 eV），也不同于C60体材料的π-等离子体激元（6.8 eV）或其主要带间跃迁（5.8 eV）。通过与基于体材料介电函数的解析模型对比，发现这个6.3 eV的峰是模型无法预测的，明确证实了它是一种界面特有的杂化激发，因此被命名为“杂化π-等离子体激元”。
二维等离子体激元的抑制与杂化模式的局域性：研究进一步通过EELS谱图的空间映射发现，在Bi2Se3/Al2O3界面处，存在一个能量约5 eV的、可深入蓝宝石衬底数纳米的二维π等离子体激元模式，其色散关系符合二维电子气的√q特性。但这一典型的二维等离子体激元模式在Bi2Se3/C60界面处完全消失了（被“淬灭”）。取而代之的是，6.3 eV的杂化π-等离子体激元信号在界面处最强，并且其空间分布图显示，信号强度在C60分子与Bi2Se3表面直接接触的点上特别亮，呈现出局域增强的特征。这与二维扩展模式的特征不同，暗示其可能与局域的界面电荷偶极振荡有关。
动量分辨色散关系的确证：qEELS测量提供了决定性的证据。数据显示，Bi2Se3/Al2O3界面处的π等离子体激元遵循典型的二维等离子体激元色散关系（ω^2 ∝ q）。而Bi2Se3/C60界面处的6.3 eV杂化峰，在测量的整个动量范围内几乎没有可观测的色散，其能量与C60的带间跃迁能重叠。这种无色散行为是共振激发的典型特征，与局域模式相符，进一步排除了它是传统二维等离子体激元的可能性。通过色散关系拟合得到的二维电子密度也表明，C60界面处的有效载流子密度比Bi2Se3/Al2O3界面低一个数量级，这与二维传导通道被破坏的图景一致。
DFT理论揭示的微观机制：DFT计算结果完美地解释了上述观测。计算表明，由于C60分子的高电子亲和能，电子从Bi2Se3的表面Se层转移至C60分子，每个C60分子约转移0.1个电子，从而在界面处形成了一个明显的电荷转移偶极矩。这个偶极矩的形成改变了界面处的电势，抑制了原本在Bi2Se3表面扩展的二维电子态，从而淬灭了二维π等离子体激元。同时，这个局域的界面偶极为6.3 eV处的杂化等离子体激元共振提供了物理根源。DFT预测的能带弯曲程度（约100 meV）相对较小，表明主要效应并非传统的能带弯曲形成二维电子气，而是更直接的分子轨道与表面态的杂化。
结论与意义 本研究通过结合顶尖的材料制备、高空间分辨率谱学技术和第一性原理计算，系统研究并阐明了高度结晶的Bi2Se3/C60异质结中的杂化等离子体激元行为。核心结论是：C60分子层通过强烈的界面电荷转移和轨道杂化，在Bi2Se3表面形成了一个局域的界面偶极，这导致了两个关键后果——淬灭了拓扑绝缘体表面固有的二维π等离子体激元，并诱导产生了一个局域、无色散的杂化π-等离子体激元模式。
这项研究的科学价值在于：它首次在真实的拓扑绝缘体/分子晶体异质结中，直接观测并证实了由分子吸附诱导的、从二维扩展等离子体激元到局域杂化模式的根本性转变，并揭示了其背后的电荷转移与偶极形成微观机制。这深化了人们对拓扑材料界面物理，特别是拓扑表面态与有机分子相互作用的认知。
其应用价值更为突出：该研究为“拓扑等离子体激元学” 的可调谐设计提供了一条新路径。研究表明，通过选择合适的分子（如具有不同电子亲和能的富勒烯衍生物、有机染料等），可以有效地调控拓扑材料表面的电荷分布和等离子体响应。这种调控在原理上可以通过外加栅压或使用给体-受体复合物等方式实现电学调谐，从而为开发新型、可调谐的紫外光探测器、高灵敏度传感器和未来通信器件提供了重要的材料平台和设计思路。
研究亮点 1. 材料制备的突破：成功制备出具有“非凡结晶度”的C60分子薄膜异质结，使得在STEM下直接成像单个富勒烯分子成为可能，为高分辨率界面研究奠定了材料基础。 2. 方法学的创新结合：将低损失EELS谱图的空间映射与动量分辨EELS（qEELS） 这一先进技术相结合，提供了区分二维色散模式和局域共振模式的直接实验证据，这是本研究得出关键结论的核心技术手段。 3. 新颖的物理发现：明确观测到分子界面导致的二维拓扑等离子体激元“淬灭”现象，并发现与之伴随的、由界面偶极振荡主导的杂化等离子体激元新模式，这一发现具有显著的新颖性。 4. 完整的机理阐释：通过DFT计算，将宏观光谱观测（EELS）与微观电子结构（电荷转移、界面偶极）直接关联，形成了从原子尺度到介观光学响应的完整、自洽的物理图像。 5. 明确的应用导向：研究不仅停留在基础物理现象的描述，更强调了这种杂化界面在紫外光电探测和可调谐等离子体器件方面的应用潜力，体现了从基础研究到应用探索的清晰脉络。
其他有价值内容 研究还指出，这种显著的界面效应仅在高度结晶的C60薄膜中观察到。在室温下生长的非晶态C60薄膜界面处，则观察不到如此清晰的杂化特征，而只表现出类似体材料的色散行为。这凸显了分子薄膜的结晶质量对其界面电子性质和最终器件性能可能产生的决定性影响，为后续的材料优化指明了方向。此外，作者展望了未来利用掺杂富勒烯（如Li@C60）或栅压来主动调控界面偶极，从而实现对表面等离子体性质动态调谐的研究方向。