Polarisatie-afhankelijke reflectiespectra van enkelvoudige-laag MoS₂ en ReS₂ op SiO₂/Si en kwarts

Samenvatting

MoS₂ en ReS₂ zijn typische overgangsmetaalkalkogeniden met veel uitstekende elektrische en optische eigenschappen. Vanwege verschillende roostersymmetrieën biedt ReS₂ een extra dimensie ten opzichte van MoS₂ om zijn fysieke eigenschappen af te stemmen. In dit artikel bestudeerden we de gepolariseerde reflectiespectra in enkelvoudige-laag MoS₂ en ReS₂. Het expliciete verschil identificeert sterke hoek-afhankelijke eigenschappen in enkelvoudige-laag ReS₂, onderscheidend van enkelvoudige-laag MoS₂. De resultaten van monsters op zowel SiO₂/Si-substraat als kwarts-substraat tonen aan dat enkelvoudige-laag ReS₂ in-vlak anisotroop is en de veranderingperiode van reflectie-intensiteit wordt geschat met de polarisatiehoeken.

Inleiding

Materialen en methoden

De MoS₂- en ReS₂-vlokken met verschillende aantallen lagen in dit artikel werden geëxfolieerd van bulk MoS₂- en ReS₂-kristallen door micromechanische scheidingmethode en op substraten voorbereid. De interactie tussen monsters en substraten was anders en de invloed van substraten op experimentele resultaten moet overwogen worden. Daarom selecteerden we twee soorten substraten: een is het Si {100} substraat bedekt met een 89 nm SiO₂ en de ander is het kwarskristal met een dikte van 1 mm, om MoS₂- en ReS₂-vlokken te ondersteunen (de optische microscopische beelden van SL MoS₂ en SL ReS₂-vlokken ondersteund op SiO₂/Si-substraat en ondersteund op kwarts-substraat zijn getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S2.) De SL-dichalcogeniden hebben een dikte tussen 0,6 en 0,7 nm wat extreem gevoelig is voor 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 kwarts-substraat zijn getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur 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 kwarts-substraat zijn getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S4.) om de SL MoS₂- en ReS₂-vlokken nauwkeurig te bepalen.

Reflectiespectrum-metingen werden uitgevoerd in een backscattering-geometrie met behulp van een Jobin-Yvon HR800 micro-Raman-systeem. De wolfram-halogeenlamp werd gebruikt als lichtbron met de spotgrootte onder 2 µm. Het objectief van ×100 (NA = 0,9) werd gebruikt om de nauwkeurigheid van tests te waarborgen met de grootte van monsters boven 5 µm. Het beste gereflecteerde lichtsignaal werd bereikt door de microscoop te focussen om de maximum piekintensiteit te krijgen. De reflectiespectra werden gemeten van de monsters en kaale substraten in het brede golflengtebereik van 400–800 nm. De 600 lijnen per millimeter rooster werd gebruikt, wat in staat stelt om elke CCD-pixel 1 nm te dekken. Een polarisator werd op het lichtpad voor het monster geplaatst. Door de polarisator continu te roteren van 0 tot 360°, werden de polarisatierichtingen van incident en gereflecteerd licht gelijktijdig gevarieerd met polarisatiehoeken van 0 tot 360°. Wanneer de polarisator werd gedraaid naar een hoek, werden de reflectiespectra van het monster (SL MoS₂ of SL ReS₂) en het substraat (SiO₂/Si of kwarts) één keer gemeten. Alle polarisatie-reflectiespectra werden gemeten onder de voorwaarde van het onveranderde houden van de lampintensiteit. We gebruikten R (sam + sub) en R (sub) om respectievelijk de reflectie-intensiteiten van monsters en kaale substraten aan te duiden en gebruikten de optische contrastmethode om de data te normaliseren door 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 studies werden de hoek-afhankelijke optische contrasten van SL MoS₂ en ReS₂ op verschillende substraten respectievelijk gedemonstreerd.

Resultaten en discussie

SL MoS₂ op SiO₂/Si-substraat

We maatten eerst de polarisatie-reflectiespectra van SL MoS₂ ondersteund op SiO₂/Si-substraat door de polarisator continu te roteren van 0 tot 360°. De polarisator werd één keer per 30° gedraaid. Figuur 1a toont de variatie van optische contrasten met polarisatiehoeken van 0 tot 180°. De oorspronkelijke curves overlappen elkaar en de verwerkte curves werden verschuigd voor duidelijkheid. Er zijn twee pieken bij ~611 nm en ~658 nm als gevolg van A en B exciton-emissie [10, 11]. We selecteerden ze als referenties en toonden hun intensiteiten met de polarisatiehoeken van 0 tot 360° in Fig. 1b en c door roze en rode cirkels, respectievelijk. De intensiteiten van de twee pieken zijn basis onveranderd, wat we moeten voorspellen aangezien de SL MoS₂ hexagonaal symmetrisch is.

SL ReS₂ op SiO₂/Si-substraat

De polarisatie-reflectiespectra van SL ReS₂ ondersteund op SiO₂/Si-substraat werden als volgt gemeten. De optische contrastcurves van SL ReS₂-vlok met varierende polarisatiehoeken van 0 tot 180° zijn getoond in Fig. 2a en zijn verschuigd voor duidelijkheid. Er is een dal bij ~457 nm en een piek bij ~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 toen de polarisatiehoek veranderde. Neem ze als referenties, toonden we hun intensiteiten met de polarisatiehoeken van 0 tot 360° in Fig. 2b en c door roze en rode cirkels, respectievelijk. Beide intensiteiten op twee posities tonen polarisatie-afhankelijkheid op de polarisatiehoeken, wat direct voortkomt uit de lage kristalsymmetrie in SL ReS₂. De in-vlak vervorming van SL ReS₂-rooster wordt verwacht om de interlaagkoppeling in meervoudige ReS₂-kristallen diepgaand te beïnvloeden omdat vergelijkbare polarisatie-afhankelijkheid is gevonden in de optische contrastcurves van anisotroop-achtig gestapelde 2L ReS₂-vlokken ondersteund op SiO₂/Si-substraat [12] en zelfs in de ultra-lage-frequentie Raman-spectra en PL-spectra van isotropisch-achtig gestapelde 2L ReS₂-vlokken [8].

We fitten de functie van de intensiteiten bij ~457 nm en ~629 nm als de polarisatiehoeken door een eerste-orde Fourier-formule: f(θ) = a0 + a1 × cos(θ × w) + b1 × sin(θ × w), waar θ de polarisatiehoek is; a0, a1 en b1 zijn de amplitudes; en w is de frequentie. De posities van minimum en maximum intensiteiten werden gelezen als 20° en 110°, respectievelijk, bij beide ~457 nm en ~629 nm. De gefitte curves werden ook in Fig. 2b en c getoond 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 basis identieke veranderingperiode met de polarisatiehoeken door de bijna gelijke w. Dit moet afgeleid worden uit de vervormde structuur in de SL ReS₂.

SL MoS₂ op kwarts-substraat

Omdat SiO₂/Si-substraat ondoorzichtig is, passeerde het incident licht door interfaces van lucht/monster en monster/substraat en werd uiteindelijk geabsorbeerd door het substraat. Tegelijkertijd werd het gereflecteerde licht verzameld van elke interface en uiteindelijk in de lucht getransmitteerd. De optische interferentie trad op in de meerlagige structuren en fysieke eigenschappen van het substraat werden in de uitgaande-gereflecteerde signalen inbegrepen naast het monster [12]. Het SiO₂/Si-substraat was een gepolariseerd substraat hoewel we de optische contrastmethode gebruikten om de data te normaliseren door de formule van R_OC = 1 − R (sam + sub)/R (sub). Om de storing van gepolariseerde eigenschappen van het substraat te elimineren, maatten we dan de polarisatie-reflectiespectra van SL MoS₂ en ReS₂ op het kwarts-substraat vanwege de transparantie en isotropie van het kwarts-substraat.

Omdat het kwarts-substraat transparant is, moet het monsterplatform opgeschort worden om transparantie tijdens het meten te waarborgen. Het incident licht passeerde door interfaces van lucht/monster, monster/substraat, en substraat/lucht en werd uiteindelijk geabsorbeerd door de lucht om het verzamelen van gereflecteerd licht niet te storen. We gebruikten de formule R_OC = R (sam + sub)/R (sub) − 1 om de data te normaliseren. Figuur 3a toont de gepolariseerde optische contrastcurves van SL MoS₂-vlok op het kwarts-substraat met varierende polarisatiehoeken van 0 tot 180°. Zoals te zien is, zijn er ook twee pieken gerelateerd aan A en B exciton bij ~615 nm en ~665 nm, respectievelijk. Hun positie heeft enige verschuiving naar lange golflengte dan die ondersteund op SiO₂/Si-substraat door interferentie-effecten op verschillende substraten [11]. We plotteten hun intensiteiten met de polarisatiehoeken in Fig. 3b en c. De intensiteiten van de twee pieken zijn bijna geen verandering als de polarisatiehoek verandert, wat aangeeft dat in-vlak isotrope eigenschappen van SL MoS₂ onveranderbaar zijn wanneer ze aan welke substraten ook worden gehecht.

SL ReS₂ op kwarts-substraat

Figuur 4a toont de gepolariseerde optische contrastcurves van SL ReS₂-vlok op het kwarts-substraat, waarin er twee dalen zijn bij ~477 nm en ~641 nm, respectievelijk. Het verschil van kenmerken tussen ondersteund op het kwarts-substraat en ondersteund op SiO₂/Si-substraat is ook door interferentie-effecten op verschillende substraten [11]. Figuur 4b en c tonen de intensiteiten van de twee dalen met de polarisatiehoeken. Beide tonen polarisatie-afhankelijkheid op de polarisatiehoeken, wat aangeeft dat SL ReS₂ in-vlak anisotroop is ongeacht substraten. We fitten de relatie van de intensiteiten bij ~477 nm en ~641 nm met de polarisatiehoeken door een eerste-orde Fourier-formule: f(θ) = a0 + a1 × cos(θ × w) + b1 × sin(θ × w), waar 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 minimum en maximum intensiteiten werden gelezen als 0° en 90°, respectievelijk, bij beide ~477 nm en ~641 nm. De gefitte curves werden ook in Fig. 4b en c getoond met blauwe lijnen. De w is basis identiek bij 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 een veranderingstendens tonen in de sin of cos functie als de polarisatiehoek verandert van 0 tot 360° en de periode uniform is wanneer ze aan welke substraten ook worden gehecht.

Conclusies

Samenvattend, zijn SL MoS₂ en ReS₂ op SiO₂/Si-substraat en op kwarts-substraat bestudeerd door polarisatie-reflectiespectra, wat een significante in-vlak isotropie in SL MoS₂ identificeert door een hexagonale structuur en in-vlak anisotropie in SL ReS₂ door een additionele vervormde structuur met een hexagonale structuur. Volgens de gepolariseerde optische contrastcurves met de polarisatiehoeken, zijn er enkele golflengte-afhankelijke pieken of daden in SL MoS₂ en ReS₂ voorspeld door verschillende kristalstructuren. De variatie van intensiteiten bij pieken of daden met de polarisatiehoeken bevestigt het bestaan van verschillende hoek-afhankelijke eigenschappen in SL MoS₂ en ReS₂. Dezelfde eigenschappen bestaan in sommige SL 2D-materialen die een vergelijkbare structuur hebben met MoS₂ zoals WS₂, MoSe₂ en WSe₂, en die een vergelijkbare structuur hebben met ReS₂ zoals ReSe₂ en WTe₂. Er zijn veel andere SL 2D-materialen die andere typen asymmetrische roosterstructuren hebben, zoals BP en SnSe, die sterk gebogde honingraat-velden hebben met "golen" die lopen langs de y-as. Deze monsters kunnen ook anisotrope kenmerten tonen. Het impliceert dat sommige nieuwe polarisatie-afhankelijke elektronische apparaten binnenkort gerealiseerd en bevorderd kunnen worden gezien de grote verscheidenheid van monsters.

Beschikbaarheid van data en materialen

De SL MoS₂- en SL ReS₂-vlokken werden geëxfolieerd van bulk MoS₂- en ReS₂-kristallen door micromechanische scheidingmethode, voorbereid op twee soorten substraten: het Si {100} substraat bedekt met een 89-nm SiO₂ en het kwarskristal met een dikte van 1 mm, en geïdentificeerd door ultra-lage-frequentie Raman-spectroscopie en PL-spectroscopie. Reflectiespectra-metingen werden uitgevoerd in een backscattering-geometrie met behulp van een Jobin-Yvon HR800 micro-Raman-systeem. De wolfram-halogeenlamp werd gebruikt als lichtbron. Een polarisator werd op het lichtpad voor het monster geplaatst. Door de polarisator continu te roteren van 0 tot 360°, werden de polarisatie-reflectiespectra van monsters en substraten gemeten en de optische contrastmethode werd gebruikt om de data te normaliseren.

Afkortingen

PL:

Fotoluminescentie

SL:

Enkelvoudige-laag

TMDs:

Overgangsmetaaldichalcogeniden