De polarisatie-eigenschappen van de reflectiespectra van enkellaags MoS2 en ReS2 op SiO2/Si en kwartssubstraten

Abstract

MoS₂ en ReS₂ zijn typische overgangsmetaalchalcogeniden met veel uitstekende elektrische en optische eigenschappen. Vanwege verschillende roostersymmetrieën, ReS₂ biedt een dimensie meer dan MoS₂ om de fysieke eigenschappen ervan af te stemmen. In dit artikel hebben we de gepolariseerde reflectiespectra bestudeerd in enkellaags MoS₂ en ReS₂ . Het expliciete verschil identificeert sterke hoekafhankelijke eigenschappen in enkellaags ReS₂ verschillend van enkellaagse MoS₂ . De resultaten van monsters op zowel SiO₂ /Si-substraat en kwartssubstraat tonen enkellaags ReS₂ is anisotroop in het vlak en de veranderingsperiode van reflectie-intensiteit wordt geschat met de polarisatiehoeken.

Inleiding

De snelle vooruitgang van grafeenonderzoek heeft de interesse in andere verschillende soorten tweedimensionale gelaagde materialen gestimuleerd. Onlangs hebben overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) veel aandacht getrokken sinds de waarneming van opmerkelijke elektronische en optische eigenschappen [1,2,3]. Deze TMD-kristallen kunnen worden gekweekt of mechanisch worden geëxfolieerd tot monolaagdikte, vergelijkbaar met de afschilfering van grafeen. In tegenstelling tot grafeen bestaan monolaag TMD's echter uit meer dan één element, wat hun fysieke eigenschappen complexer maakt dan grafeen. Onder de TMD's, MoS₂ is het meest uitgebreid bestudeerd, waarbij één Mo-vlak is ingeklemd tussen twee S-vlakken, meestal met een 2H-structuur [4]. In tegenstelling tot deze zeer symmetrische hexagonale structuren zoals MoS₂ , een ander soort TMD's zoals ReS₂ trekt veel belangstelling, die een vervormde 1T'-structuur vertoont [5]. De bovenste en onderste S-atomen sandwichen de middelste laag van Re-atomen met een hexagonale structuur met een extra Peierls-twist [5]. Dit komt omdat het rheniumatoom één extra valentie-elektron bezit, wat leidt tot de vorming van extra Re-Re-bindingen in ReS₂ (atoomstructuurdiagram van een enkellaags MoS₂ en ReS₂ wordt weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1.) De verminderde symmetrie in ReS₂ induceert significante anisotropie in het vlak en voegt daarom een extra vrijheidsgraad toe, waardoor ReS₂ een interessant materiaal voor de fabricage van FET's en polarisatiegevoelige fotodetectoren [5, 6]. In dit artikel hebben we de polarisatie-eigenschappen onderzocht van enkellaags (afgekort als de notatie SL) MoS₂ en ReS₂ vlokken door hoekafhankelijke reflectiespectrametingen op SiO₂ /Si en kwartssubstraten. Onze resultaten zullen licht werpen op de nieuwe effecten in die sterk anisotrope gelaagde materialen en kunnen empirisch worden gebruikt om de kristaloriëntatie te identificeren.

Materialen en methoden

De MoS₂ en ReS₂ vlokken met verschillende aantallen lagen in dit papier werden geëxfolieerd uit bulk MoS₂ en ReS₂ kristallen door micromechanische splitsingsmethode en werden bereid op substraten. De interactie tussen monsters en substraten was verschillend en de invloed van substraten op experimentele resultaten moet worden overwogen. Daarom hebben we twee soorten substraten geselecteerd:de ene is het Si {100}-substraat bedekt met een 89 nm SiO₂ en de andere is het kwartskristal met een dikte van 1 mm, ter ondersteuning van MoS₂ en ReS₂ vlokken (de optische microscopische beelden van SL MoS₂ en SL ReS₂ vlokken ondersteund op SiO₂ /Si-substraat en ondersteund op kwartssubstraat worden weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S2.) De SL-dichalcogeniden hebben een dikte tussen 0,6 en 0,7 nm die extreem gevoelig zijn voor de meetnauwkeurigheid van meetinstrumenten. We gebruikten ultra-lage frequentie Raman-spectroscopie [7, 8] (de ultra-lage frequentie Raman-spectra van SL MoS₂ en SL ReS₂ vlokken ondersteund op SiO₂ /Si-substraat en ondersteund op kwartssubstraat worden weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S3.) en fotoluminescentie (PL) spectroscopie [8, 9] (de PL-spectra van SL MoS₂ en SL ReS₂ vlokken ondersteund op SiO₂ /Si-substraat en ondersteund op kwartssubstraat worden weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S4.) om de SL MoS₂ nauwkeurig te bepalen en ReS₂ vlokken.

Reflectiespectrummetingen werden uitgevoerd in een terugverstrooiingsgeometrie met behulp van een Jobin-Yvon HR800 micro-Raman-systeem. Als lichtbron werd de wolfraam-halogeenlamp gebruikt met een spotgrootte van minder dan 2 m. De doelstelling van × 100 (NA = 0.9) werd gebruikt om de nauwkeurigheid van tests met de grootte van monsters van meer dan 5 μm te garanderen. Het best gereflecteerde lichtsignaal werd bereikt door de microscoop te focussen om maximale piekintensiteit te krijgen. De reflectiespectra werden gemeten van de monsters en kale substraten in het brede golflengtebereik van 400-800 nm. Er werd een raster van 600 lijnen per millimeter gebruikt, waardoor elke CCD-pixel 1 nm kan bestrijken. Een polarisator werd op het lichtpad voor het monster geplaatst. Door de polarisator continu te roteren van 0 tot 360°, werden polarisatierichtingen van invallend en gereflecteerd licht gelijktijdig gevarieerd met polarisatiehoeken van 0 tot 360°. Wanneer de polarisator onder een hoek werd gedraaid, werden de reflectiespectra van het monster (SL MoS₂ of SL ReS₂ ) en het substraat (SiO₂ /Si of kwarts) werden eenmaal gemeten. Alle polarisatiereflectiespectra werden gemeten onder de voorwaarde dat de lampintensiteit ongewijzigd bleef. We gebruikten R (sam + sub) en R (sub) om respectievelijk de reflectie-intensiteiten van monsters en kale substraten aan te geven en de optische contrastmethode te gebruiken om de gegevens te normaliseren met de formule van R _OC = 1 − R (sam + sub)/R (sub) (het substraat is SiO₂ /Si) of R _OC = R (sam + sub)/R (sub) − 1 (het substraat is kwarts). In de volgende onderzoeken zijn de hoekafhankelijke optische contrasten van SL MoS₂ en ReS₂ op verschillende substraten werden respectievelijk gedemonstreerd.

Resultaten en discussie

SL MoS₂ op SiO₂ /Si-substraat

We hebben eerst de polarisatiereflectiespectra van SL MoS₂ . gemeten ondersteund op SiO₂ /Si-substraat door de polarisator continu te draaien van 0 tot 360°. De polarisator werd eenmaal per 30° gedraaid. Figuur 1a toont de variatie van optische contrasten met polarisatiehoeken van 0 tot 180°. De oorspronkelijke curven overlappen elkaar en de verwerkte curven zijn voor de duidelijkheid verschoven. Er zijn twee pieken bij ~ 611 nm en ~ 658 nm als gevolg van A- en B-excitonemissie [10, 11]. We selecteerden ze als referenties en toonden hun intensiteiten met de polarisatiehoeken van 0 tot 360 ° in Fig. 1b en c door respectievelijk roze en rode cirkels. De intensiteiten van twee pieken zijn in principe ongewijzigd, wat we zouden moeten voorspellen sinds de SL MoS₂ is hexagonaal symmetrisch.

een De polarisatie optische contrastcurven van SL MoS₂ vlokken ondersteund op SiO₂ /Si-substraat. b De intensiteitsvariatie bij ~ 611 nm van 0 tot 360°. c De intensiteitsvariatie bij ~ 658 nm van 0 tot 360°

SL ReS₂ op SiO₂ /Si-substraat

De polarisatiereflectiespectra van SL ReS₂ ondersteund op SiO₂ /Si-substraat werden als volgt gemeten. De optische contrastcurven van SL ReS₂ vlok met variërende polarisatiehoeken van 0 tot 180 ° worden getoond in Fig. 2a en zijn voor de duidelijkheid verschoven. Er is een vallei op ~ 457 nm en een piek op ~ 629 nm [12] wat suggereert dat SL ReS₂ kristalliseert in een andere kristalstructuur dan SL MoS₂ . De intensiteiten bij ~ 457 nm en ~ 629 nm veranderden naarmate de polarisatiehoek veranderde. Door ze als referentie te nemen, toonden we hun intensiteiten met de polarisatiehoeken van 0 tot 360 ° in Fig. 2 b en c door respectievelijk roze en rode cirkels. Beide intensiteiten op twee posities tonen polarisatieafhankelijkheid van de polarisatiehoeken, wat direct het gevolg is van de lage kristalsymmetrie in SL ReS₂ . De in-plane vervorming van SL ReS₂ rooster zal naar verwachting een diepgaande invloed hebben op de koppeling tussen de lagen in meerlaagse ReS₂ kristallen omdat de vergelijkbare polarisatie-afhankelijkheid is gevonden in de optische contrastcurven van anisotroop-achtige gestapelde 2 L ReS₂ vlokken ondersteund op SiO₂ /Si-substraat [12] en zelfs in de ultra-lage frequentie Raman-spectra en PL-spectra van isotroop-achtige gestapelde 2 L ReS₂ vlokken [8].

een De polarisatie optische contrastcurven van SL ReS₂ vlokken ondersteund op SiO₂ /Si-substraat. b De intensiteitsvariatie bij ~ 457 nm van 0 tot 360°. c De intensiteitsvariatie bij ~ 629 nm van 0 tot 360°

We hebben de functie van de intensiteiten bij ~ 457 nm en ~ 629 nm als de polarisatiehoeken aangepast met een eerste-orde Fourier-formule:f (θ ) = a0 + a1 × cos(θ × w ) + b1 × sin(θ × w ), waar θ is de polarisatiehoek; a0, a1 en b1 zijn de amplituden; en w is de frequentie. De posities van minimale en maximale intensiteiten werden afgelezen als respectievelijk 20° en 110° bij zowel ~~457 nm als ~ 629 nm. De aangepaste curven zijn ook uitgezet in Fig. 2 b en c met blauwe lijnen. Bij ~ 457 nm, a0 = 8.269, a1 = − 4.878, b1 = − 4.585 en w = 0.0348, en bij ~ 629 nm, a0 = 34.27, a1 = − 5.99, b1 = − 4.747 en w = 0,03525. Ze hebben de in principe identieke veranderingsperiode met de polarisatiehoeken vanwege de bijna gelijke w . Het moet worden afgeleid van de vervormde structuur in de SL ReS₂ .

SL MoS₂ op kwartssubstraat

Omdat SiO₂ /Si-substraat is ondoorzichtig, het invallende licht ging door de grensvlakken van lucht/monster en monster/substraat en werd uiteindelijk door het substraat geabsorbeerd. Ondertussen werd het gereflecteerde licht van elke interface verzameld en uiteindelijk de lucht ingestuurd. De optische interferentie trad op in de meerlagige structuren en fysieke eigenschappen van het substraat werden opgenomen in de uitgaande gereflecteerde signalen naast het monster [12]. De SiO₂ /Si-substraat was een gepolariseerd substraat, hoewel we de optische contrastmethode gebruikten om de gegevens te normaliseren met de formule van R _OC = 1 − R (sam + sub)/R (sub). Om de verstoring van gepolariseerde eigenschappen van het substraat te elimineren, hebben we vervolgens de polarisatiereflectiespectra van SL MoS₂ gemeten en ReS₂ op het kwartssubstraat vanwege de transparantie en isotropie van het kwartssubstraat.

Omdat het kwartssubstraat transparant is, moet de monstertafel hangend worden geplaatst om transparantie tijdens het meten te garanderen. Het invallende licht passeerde grensvlakken van lucht/monster, monster/substraat en substraat/lucht en werd uiteindelijk door de lucht geabsorbeerd om te voorkomen dat het verzamelen van gereflecteerd licht werd verstoord. We gebruikten de formule van R _OC = R (sam + sub)/R (sub) − 1 om de gegevens te normaliseren. Afbeelding 3a toont de gepolariseerde optische contrastcurven van SL MoS₂ vlok op het kwartssubstraat met variërende polarisatiehoeken van 0 tot 180°. Zoals te zien is, zijn er ook twee pieken gerelateerd aan A- en B-exciton bij respectievelijk ~ 615 nm en ~ 665 nm. Hun positie heeft enige verschuiving naar lange golflengte dan die ondersteund op SiO₂ /Si-substraat door interferentie-effecten op verschillende substraten [11]. We hebben hun intensiteiten uitgezet met de polarisatiehoeken in Fig. 3 b en c. De intensiteiten van twee pieken veranderen bijna niet naarmate de polarisatiehoek verandert, wat aangeeft dat in-plane isotrope eigenschappen van SL MoS₂ zijn onveranderlijk wanneer ze zijn bevestigd aan welke ondergrond dan ook.

een De polarisatie optische contrastcurven van SL MoS₂ vlokken ondersteund op kwartssubstraat. b De intensiteitsvariatie bij ~ 615 nm van 0 tot 360°. c De intensiteitsvariatie bij ~ 665 nm van 0 tot 360°

SL ReS₂ op kwartssubstraat

Afbeelding 4a toont de gepolariseerde optische contrastcurven van SL ReS₂ vlok op het kwartssubstraat, waarin zich twee valleien bevinden bij respectievelijk ~ 477 nm en ~ 641 nm. Het verschil in kenmerken tussen ondersteund op het kwartssubstraat en ondersteund op SiO₂ /Si-substraat is ook te wijten aan interferentie-effecten op verschillende substraten [11]. Figuur 4 b en c tonen de intensiteiten van twee valleien met de polarisatiehoeken. Beiden vertonen polarisatieafhankelijkheid van de polarisatiehoeken, wat aangeeft dat SL ReS₂ is anisotroop in het vlak, ongeacht de ondergrond. We hebben de relatie van de intensiteiten bij ~ 477 nm en ~ 641 nm met de polarisatiehoeken gefit met een eerste-orde Fourier-formule:f (θ ) = a0 + a1 × cos(θ × w ) + b1 × sin(θ × w ), waarbij a0 = 0.3168, a1 = − 0.02215, b1 = − 0.0004139 en w = 0.03422 bij ~ 477 nm en a0 = 0.2941, a1 = − 0.06608, b1 = − 0.005685 en w = 0,0349 bij ~ 641 nm. De posities van minimale en maximale intensiteiten werden afgelezen als respectievelijk 0° en 90° bij zowel ~ 477 nm als ~ 641 nm. De aangepaste curven zijn ook uitgezet in Fig. 4 b en c met blauwe lijnen. De w is in principe identiek aan zowel ~ 477 nm als ~ 641 nm en bijna gelijk aan die bij ~ 457 nm en ~ 629 nm van SL ReS₂ vlokken ondersteund op SiO₂ /Si-substraat, wat betekent dat de gepolariseerde eigenschappen in SL ReS₂ vlokken vertonen een veranderingsneiging in de sin- of cos-functie wanneer de polarisatiehoek verandert van 0 tot 360° en de periode uniform is wanneer ze aan welke substraten dan ook worden gehecht.

een De polarisatie optische contrastcurven van SL ReS₂ vlokken ondersteund op kwartssubstraat. b De intensiteitsvariatie bij ~ 477 nm van 0 tot 360°. c De intensiteitsvariatie bij ~ 641 nm van 0 tot 360°

Conclusies

Tot slot, SL MoS₂ en ReS₂ op SiO₂ /Si-substraat en op kwartssubstraat zijn bestudeerd door polarisatiereflectiespectra, die een significante isotropie in het vlak in SL MoS₂ identificeren vanwege een hexagonale structuur en in-plane anisotropie in SL ReS₂ door een extra vervormde structuur met een zeshoekige structuur. Volgens de gepolariseerde optische contrastcurven met de polarisatiehoeken zijn er enkele golflengte-afhankelijke pieken of dalen in SL MoS₂ en ReS₂ voorspeld door verschillende kristalstructuren. De variatie van intensiteiten bij pieken of dalen met de polarisatiehoeken bevestigt het bestaan van verschillende hoekafhankelijke eigenschappen in SL MoS₂ en ReS₂ . Dezelfde eigenschappen bestaan in sommige SL 2D-materialen met een vergelijkbare structuur als MoS₂ zoals WS₂ , MoSe₂ , en WSe₂ , en met een vergelijkbare structuur met ReS₂ zoals ReSe₂ en WTe₂ . Er zijn veel andere SL 2D-materialen met andere soorten asymmetrische roosterstructuren, zoals BP en SnSe, die sterk geknikte honingraatplaten hebben met "troggen" die langs de y lopen -as. Deze monsters kunnen ook anisotrope kenmerken vertonen. Het houdt in dat sommige nieuwe polarisatie-afhankelijke elektronische apparaten binnenkort kunnen worden gerealiseerd en gepromoot, gezien de grote verscheidenheid aan monsters.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De SL MoS₂ en SL ReS₂ vlokken werden geëxfolieerd van bulk MoS₂ en ReS₂ kristallen door micromechanische splitsingsmethode, bereid op twee soorten substraten:het Si {100}-substraat bedekt met een 89-nm SiO₂ en het kwartskristal met een dikte van 1 mm, en geïdentificeerd door ultra-lage frequentie Raman-spectroscopie en PL-spectroscopie. Reflectiespectrametingen werden uitgevoerd in een terugverstrooiingsgeometrie met behulp van een Jobin-Yvon HR800 micro-Raman-systeem. Als lichtbron werd de wolfraam-halogeenlamp gebruikt. Een polarisator werd op het lichtpad voor het monster geplaatst. Door de polarisator continu van 0 naar 360° te draaien, werden de polarisatiereflectiespectra van monsters en substraten gemeten en werd de optische contrastmethode gebruikt om de gegevens te normaliseren.