2025年5月8日，Elsevier旗下表面科学领域期刊《Applied Surface Science Advances》刊发精密仪器研究中心（以下简称研究中心）团队在二维材料表征领域最新成果，题为“Temperature-induced evolutions in critical point optical transitions in HfS₂investigated by spectroscopic ellipsometry（利用光谱椭偏仪揭示HfS₂中临界点光学跃迁的温度诱导转变）”。研究中心博士生张启航为论文第一作者，刘世元教授和谷洪刚教授为通讯作者，已毕业博士郭正峰为论文共同作者。

HfS₂作为IVB 族过渡金属硫化物成员，被认为在载流子迁移率等方面具有潜力，面向晶体管、光探测与光催化等应用。但在实际器件工作过程中不可避免会产生热量，材料的介电函数、折射率与吸收随温度变化将直接影响器件性能与稳定性。针对HfS₂，紫外–可见–近红外宽谱段内“随温度变化的介电函数/光学跃迁机制”的实验数据长期相对缺乏，因此亟需系统的实验表征与机理拆解。

团队在100–600 K 温区内开展原位测量，利用光谱椭偏在 0.75–5.91 eV 宽能量范围内高精度提取 HfS₂的介电函数与复折射率，并进一步结合介电函数二阶导数的临界点（Critical Point, CP）分析对特征跃迁进行定量拟合；同时引入第一性原理计算辅助定位跃迁在布里渊区中的位置与相关轨道贡献，实现“实验谱—跃迁—能带/态密度”的闭环对应。

图1 温度相关的HfS₂的(a) 拉曼光谱; 介电张量(b) 实部和(c) 虚部; (d) 折射率和(e) 消光系数

如图1所示，研究团队利用变温光谱椭偏仪在0.75–5.91 eV、100–600 K 范围内精确提取了 HfS₂的介电函数与复折射率，并在温度演化中识别出两个具有工程意义的“温度不敏感”特征点：当能量位于 1.988 eV 附近时，介电函数实部 ε_r的温度大小规律发生反转；在2.172 eV 附近，折射率n呈现对应的温度依赖转折，使得在这些能量处ε_r或n几乎不随温度变化。与此同时，ε_r的负值区指向体等离子体共振行为，结合EELS 进一步确认 HfS₂存在两处显著等离子体共振峰，分别位于2.95 eV 与 4.19 eV。这些结果不仅给出了 HfS₂随温度变化的完整光学常数数据，也为在不同环境温度下保持器件光学响应稳定的工作波段选择提供了明确线索。

在此基础上，作者对介电函数开展临界点分析，在虚部谱线中定量辨识出A–G 共 7 个临界点跃迁，并指出这些关键点更符合二维临界点特征（m=0），对应二维范霍夫奇点及电子-空穴相互作用主导的跃迁过程。如图2所示，随着温度升高，临界点的强度与展宽呈现明显分化。尤其值得强调的是，CP C 与 CP E 表现出与其它峰截然不同的异常演化——它们的展宽在特定温区急剧增大，谱峰特征逐渐被抹平并最终难以分辨，预示着温度诱导结构变化对光学跃迁的直接影响。进一步地，研究发现 A–G 所有关键点的中心能量随温度升高整体呈蓝移（正温度系数），并可用 Varshni 方程与 Bose–Einstein 模型进行拟合描述。作者给出了一个清晰的物理图像：HfS₂的带隙E_g与激子束缚能E_b都会随温度上升而降低，但当E_b的降低幅度快于E_g时，对应的光学带隙/关键点跃迁能量反而会上升，从而表现为关键点峰位蓝移。拟合参数同时揭示不同关键点的电子-声子耦合强弱差异，其中 CP D 的电子-声子相互作用最弱，而 CP G 最强，说明温度效应并非简单“整体平移”，而是由热膨胀与电子-声子相互作用在不同能区的竞争共同决定。

图2 (a) 临界点A-G随温度的变化趋势；(b) 玻色-爱因斯坦模型拟合结果；(c) 相变以及(d) 带隙转变过程

上述异常行为还与HfS₂的温度诱导可逆相变密切相关。文中指出HfS₂在约300 K 之后发生 1T→3R 的可逆结构相变：相变起始阶段 CP E 率先出现突变；当相变在更高温度区间完成后，CP C 也出现突变，并伴随 CP E 的消失。这意味着在相变温区附近，材料的临界点跃迁会发生“从可分辨到被强烈展宽直至消失”的质变，为理解器件在热激励下可能出现的光学响应突变提供了直接证据与判据。

该工作在宽谱段、宽温区内系统建立了HfS₂的温度依赖光学常数数据库，并用“临界点—电子-声子/热膨胀—相变”三条主线解释了温度响应的差异来源。相关结论可为 HfS₂及类似二维材料在光探测、光电调制与热环境稳定性设计中的材料选型、工作波段选择与热漂移评估提供依据。

论文信息:

Q. Zhang, H. Gu, Z. Guo and S. Liu, “Temperature-induced evolutions in critical point optical transitions in HfS₂investigated by spectroscopic ellipsometry,” Appl. Surf. Sci. Adv. 27, 100763 (2025).