少层二维材料的晶相多样性会显著影响其性能参数，而芯片集成等应用场景对材料均一性有极高要求，因此开发各类少层二维材料的快速无损晶相检测技术成为推进少层二维材料应用发展的核心环节。

针对这一关键技术问题，中国科学院长春光机所特种发光科学与技术全国重点实验室程晋罗研究团队提出一种基于偏振斜入射的二次谐波检测方法，以具有多种晶相的少层硫化镓（GaS）体系为例，实现对少层二维材料晶相的精确识别。这种原位无损的表征方法证明了GaS样品中同时存在β相和γ相，这也是首次在实验中观察到γ-GaS。该方法具有丰富的应用前景，可拓展至其他少层二维材料、异质堆叠材料体系中。

该研究成果发表于Nano Letters期刊，标题为“Phase Identification of Layered GaS by Polarization-Dependent Angle-Resolved Oblique Incident Second Harmonic Generation”。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00345

二次谐波（Second Harmonic Generation, SHG）技术是一种高效且非破坏性的二维材料晶相检测方法。传统的正入射SHG技术仅能探测材料面内非零二阶非线性极化率（χ⁽²⁾）张量元。当晶相差异主要表现在面外非零χ⁽²⁾张量元时，正入射SHG技术便不再适用。已经报道的斜入射SHG技术通过旋转样品能探测到面外χ⁽²⁾张量元，但该技术无法实现对单一张量元的鉴别，限制了其在多晶相共存材料体系中的应用。

事实上，多晶相共存材料体系是普遍存在的。例如，层状GaS属于III-VI族金属硫系化合物，在光电探测、非线性光学以及拓扑光子学等领域展现出显著的应用潜力。理论研究显示，具有较大扭转角度的层状GaS展现出与魔角双层石墨烯相似的平带特性，这预示着在小尺寸莫尔超晶胞中可能观察到显著的电子-电子相互作用。通过施加面内应变，层状GaS的带隙能够实现宽范围的调控，并可能诱发能带反转，进而形成拓扑绝缘体。但是，层状GaS存在四种不同的晶相结构（β、γ、ε和δ相），这些结构的形成能相近，导致层状材料中易发生相变，进而影响材料性能。目前，对于层状GaS晶体结构的鉴别主要依赖透射电子显微镜（TEM），这种测量方式并非原位无损的测量方式，因此，发展一种可以原位无损的探测技术对GaS进行快速有效的晶相鉴别显得尤为必要。

图1 GaS二次谐波表征。(a,b) 偏振依赖斜入射SHG原理图；(c,d) 45°斜入射SHG光谱；(e) 正入射和斜入射下偏振依赖的SHG强度。

少层GaS的四种晶相分别属于不同的点群，包含的非零χ⁽²⁾张量元各不相同，导致它们的SHG特性存在差异。层状β-GaS的非零χ⁽²⁾张量元数量为零，因此无法检测到SHG信号；δ-GaS仅在斜入射激发条件下表现出二次谐波信号；γ-和ε-GaS，无论是在正入射还是斜入射激发条件下，均能观测到SHG信号。然而，由于面外非零χ⁽²⁾张量元的差异，γ-和ε-GaS的偏振图样存在差异，这使得我们能够通过偏振特性来区分不同的晶相。通过测量和分析正入射和斜入射激发的偏振依赖的SHG，成功地识别了层状GaS样品的晶相结构，并首次在实验中直接观察到γ-GaS的存在。理论计算显示β-GaS和γ-GaS的拓扑相变存在差异，进一步强调了精确、原位鉴别多晶相材料体系的堆叠结构的重要性。

中国科学院长春光机所宋颖助理研究员为论文第一作者，中国科学院长春光机所程晋罗研究员，单雨薇副研究员，东北师范大学辛巍副教授为本文通讯作者。本文还获得了长春光机所李绍娟研究员、王延超研究员、冷荣宽助理研究员、常凯楠助理研究员、东北师范大学赵信刚教授、郎中玲副教授的支持。本工作获得了国家自然科学基金、吉林省科技厅自然科学基金、中国科学院长春光机所“曙光”计划等基金的支持。