Поляризационные свойства спектров отражения однослойных MoS2 и ReS2 на подложках SiO2 / Si и кварце

Введение

Быстрый прогресс исследований графена стимулировал интерес к нескольким другим типам двумерных слоистых материалов. В последнее время дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) привлекли к себе большое внимание после обнаружения замечательных электронных и оптических свойств [1,2,3]. Эти кристаллы TMD можно выращивать или механически расслаивать до толщины монослоя, подобно расслоению графена. Однако, в отличие от графена, однослойные TMD состоят из более чем одного элемента, что делает их физические свойства более сложными, чем графен. Среди TMD MoS ₂ является наиболее изученным, где одна плоскость Mo зажата между двумя S-плоскостями, как правило, с 2H-структурой [4]. В отличие от этих высокосимметричных гексагональных структур, таких как MoS ₂ , другой вид TMD, такой как ReS ₂ Большой интерес вызывает искаженная 1T’-структура [5]. Верхний и нижний атомы S окружают средний слой атомов Re с гексагональной структурой, имеющей дополнительный пайерлсовский твист [5]. Это связано с тем, что атом рения обладает одним дополнительным валентным электроном, что приводит к образованию дополнительных связей Re – Re в ReS ₂ (диаграмма атомной структуры однослойного MoS ₂ и ReS ₂ показан в Дополнительном файле 1:Рисунок S1.) Уменьшенная симметрия в ReS ₂ вызывает значительную анизотропию в плоскости и, следовательно, добавляет дополнительную степень свободы, что делает ReS ₂ интересный материал для изготовления полевых транзисторов и поляризационно-чувствительных фотоприемников [5, 6]. В этой статье мы исследовали поляризационные свойства однослойного (сокращенно SL) MoS ₂ и ReS ₂ хлопья по измерениям спектров отражения в зависимости от угла на SiO ₂ / Si и кварцевые подложки. Наши результаты прольют свет на новые эффекты в этих сильно анизотропных слоистых материалах и могут быть использованы эмпирически для определения ориентации кристаллов.

Материалы и методы

MoS ₂ и ReS ₂ хлопья с разным количеством слоев в этой статье были отслоены от объемного MoS ₂ и ReS ₂ кристаллы методом микромеханического скола и были приготовлены на подложках. Взаимодействие между образцами и подложками было различным, и следует учитывать влияние подложек на результаты экспериментов. Таким образом, мы выбрали два типа подложек:первая - это подложка Si {100}, покрытая 89 нм SiO ₂ а другой - кристалл кварца толщиной 1 мм для поддержки MoS ₂ и ReS ₂ чешуйки (оптические микроскопические изображения SL MoS ₂ и SL ReS ₂ хлопья на SiO ₂ Подложка / Si и закрепленная на кварцевой подложке показаны в дополнительном файле 1:Рисунок S2.) Дихалькогениды SL имеют толщину от 0,6 до 0,7 нм, что чрезвычайно важно для точности измерений измерительных приборов. Мы использовали сверхнизкочастотную рамановскую спектроскопию [7, 8] (сверхнизкочастотные рамановские спектры SL MoS ₂ и SL ReS ₂ хлопья на SiO ₂ / Si подложка и нанесенная на кварцевую подложку показаны в дополнительном файле 1:Рисунок S3.) И фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии [8, 9] (спектры ФЛ SL MoS ₂ и SL ReS ₂ хлопья на SiO ₂ Подложка / Si и закрепленная на кварцевой подложке показаны в Дополнительном файле 1:Рисунок S4.) Для точного определения SL MoS ₂ и ReS ₂ хлопья.

Измерения спектра отражения были выполнены в геометрии обратного рассеяния с использованием микро-рамановской системы Jobin-Yvon HR800. В качестве источника света использовалась вольфрамовая галогенная лампа с размером пятна менее 2 мкм. Объектив × 100 (NA =0,9) использовался для обеспечения точности испытаний с размером образцов более 5 мкм. Наилучший сигнал отраженного света был достигнут при фокусировке микроскопа для получения максимальной пиковой интенсивности. Спектры отражения измерялись от образцов и голых подложек в широком диапазоне длин волн 400–800 нм. Использовалась решетка 600 линий на миллиметр, что позволяет покрывать каждый пиксель ПЗС 1 нм. На пути света перед образцом помещался поляризатор. Путем непрерывного вращения поляризатора от 0 до 360 ° направления поляризации падающего и отраженного света одновременно изменялись с углами поляризации от 0 до 360 °. При повороте поляризатора на угол спектры отражения образца (SL MoS ₂ или SL ReS ₂ ) и подложка (SiO ₂ / Si или кварц) измеряли один раз. Все спектры поляризационного отражения были измерены при условии сохранения неизменной интенсивности лампы. Мы использовали R (sam + sub) и R (под), чтобы соответственно указать интенсивности отражения образцов и голых подложек, и использовал метод оптического контраста для нормализации данных по формуле R _OC =1 - R (sam + sub) / R (суб) (подложка SiO ₂ / Si) или R _OC = R (sam + sub) / R (суб) - 1 (подложка кварц). В следующих исследованиях угловые оптические контрасты SL MoS ₂ и ReS ₂ на разных подложках соответственно.

Результаты и обсуждение

SL MoS ₂ на SiO ₂ / Si Субстрат

Сначала мы измерили поляризационные спектры отражения SL MoS ₂ поддерживается на SiO ₂ / Si подложки, непрерывно вращая поляризатор от 0 до 360 °. Поляризатор поворачивали каждые 30 °. На рис. 1а показано изменение оптических контрастов при углах поляризации от 0 до 180 °. Исходные кривые накладывались друг на друга, а обработанные кривые были смещены для ясности. Имеются два пика при ~ 611 нм и ~ 658 нм, связанные с эмиссией экситонов A и B [10, 11]. Мы выбрали их в качестве эталонов и показали их интенсивности с углами поляризации от 0 до 360 ° на рис. 1, б и в розовыми и красными кружками соответственно. Интенсивности двух пиков в основном не изменились, что мы и должны предсказать, поскольку SL MoS ₂ гексагонально симметричен.

а Кривые поляризационного оптического контраста SL MoS ₂ хлопья на SiO ₂ / Si подложка. б Изменение интенсивности на ~ 611 нм от 0 до 360 °. c Изменение интенсивности на ~ 658 нм от 0 до 360 °

SL ReS ₂ на SiO ₂ / Si Субстрат

Спектры поляризационного отражения SL ReS ₂ поддерживается на SiO ₂ / Si подложки измеряли следующим образом. Кривые оптического контраста SL ReS ₂ чешуйки с различными углами поляризации от 0 до 180 ° показаны на рис. 2а и для наглядности смещены. Имеется впадина на ~ 457 нм и пик на ~ 629 нм [12], что свидетельствует о том, что SL ReS ₂ кристаллизуется в кристаллической структуре, отличной от SL MoS ₂ . Интенсивности при ~ 457 нм и ~ 629 нм изменялись при изменении угла поляризации. Взяв их за эталоны, мы показали их интенсивности с углами поляризации от 0 до 360 ° на рис. 2, б и в розовыми и красными кружками соответственно. Обе интенсивности в двух положениях показывают поляризационную зависимость от углов поляризации, что напрямую связано с низкой симметрией кристалла в SL ReS ₂ . Плоскостное искажение SL ReS ₂ решетка, как ожидается, сильно повлияет на межслойное взаимодействие в многослойном ReS ₂ кристаллы, потому что аналогичная поляризационная зависимость была обнаружена на кривых оптического контраста анизотропно-подобных наборов 2 L ReS ₂ хлопья на SiO ₂ / Si подложка [12] и даже в спектрах сверхнизкочастотного комбинационного рассеяния и спектрах фотолюминесценции изотропно-подобных сложенных 2 L ReS ₂ хлопья [8].

а Кривые поляризационно-оптического контраста SL ReS ₂ хлопья на SiO ₂ / Si подложка. б Изменение интенсивности на ~ 457 нм от 0 до 360 °. c Изменение интенсивности на ~ 629 нм от 0 до 360 °

Мы аппроксимировали функцию интенсивностей на ~ 457 нм и ~ 629 нм как поляризационные углы формулой Фурье первого порядка: f ( θ ) =A0 + a1 × cos ( θ × ш ) + B1 × sin ( θ × ш ), где θ - угол поляризации; a0, a1, b1 - амплитуды; и w это частота. Положения минимальной и максимальной интенсивности были прочитаны как 20 ° и 110 °, соответственно, как при ~ 457 нм, так и ~ 629 нм. Соответствующие кривые также были нанесены на рис. 2, b и c синими линиями. При ~ 457 нм a0 =8,269, a1 =- 4,878, b1 =- 4,585 и w =0,0348, а при ~ 629 нм, a0 =34,27, a1 =- 5,99, b1 =- 4,747 и w =0,03525. У них практически идентичный период изменения с углами поляризации из-за почти равного w . Это должно происходить из искаженной структуры в SL ReS ₂ .

SL MoS ₂ на кварцевой подложке

Поскольку SiO ₂ Подложка / Si непрозрачна, падающий свет проходил через границы раздела воздух / образец и образец / подложка и, наконец, поглощался подложкой. Тем временем отраженный свет собирался от каждой границы раздела и, наконец, передавался в воздух. Оптическая интерференция возникла в многослойных структурах, и физические свойства подложки были включены в уходящие-отраженные сигналы в дополнение к образцу [12]. SiO ₂ Подложка / Si была поляризованной подложкой, хотя мы использовали метод оптического контраста для нормализации данных по формуле R _OC =1 - R (sam + sub) / R (суб). Чтобы исключить нарушение поляризационных свойств подложки, мы затем измерили поляризационные спектры отражения SL MoS ₂ и ReS ₂ на кварцевой подложке из-за прозрачности и изотропности кварцевой подложки.

Поскольку кварцевая подложка прозрачна, предметный столик для образца следует подвешивать для обеспечения прозрачности во время измерения. Падающий свет проходил через границы раздела воздух / образец, образец / подложка и подложка / воздух и, наконец, поглощался воздухом, чтобы избежать нарушения сбора отраженного света. Мы использовали формулу R _OC = R (sam + sub) / R (sub) - 1 для нормализации данных. На рис. 3а показаны поляризованные кривые оптического контраста SL MoS ₂ . чешуйки на кварцевой подложке с переменными углами поляризации от 0 до 180 °. Как видно, также есть два пика, относящиеся к экситону A и B, при ~ 615 нм и ~ 665 нм соответственно. Их положение имеет некоторый сдвиг в сторону длинных волн, чем у SiO ₂ . / Si подложка из-за интерференционных эффектов на разных подложках [11]. Мы построили их интенсивности с углами поляризации на рис. 3, б и в. Интенсивности двух пиков практически не изменяются при изменении поляризационного угла, что указывает на изотропные свойства SL MoS ₂ на плоскости. неизменяемы, когда они прикреплены к любой подложке.

а Кривые поляризационного оптического контраста SL MoS ₂ чешуйки на кварцевой подложке. б Изменение интенсивности на ~ 615 нм от 0 до 360 °. c Изменение интенсивности на ~ 665 нм от 0 до 360 °

SL ReS ₂ на кварцевой подложке

На рис. 4а показаны поляризованные кривые оптического контраста SL ReS ₂ . чешуйка на кварцевой подложке, в которой есть две впадины при ~ 477 нм и ~ 641 нм соответственно. Различие функций между опорой на кварцевой подложке и опорой на SiO ₂ / Si подложка также обусловлена ​​интерференционными эффектами на разных подложках [11]. На рис. 4, б и в показаны интенсивности двух впадин с углами поляризации. Оба они показывают поляризационную зависимость от углов поляризации, что указывает на то, что SL ReS ₂ плоскостная анизотропия независимо от подложки. Мы подогнали связь интенсивностей на ~ 477 нм и ~ 641 нм с поляризационными углами по формуле Фурье первого порядка: f ( θ ) =A0 + a1 × cos ( θ × ш ) + B1 × sin ( θ × ш ), где a0 =0,3168, a1 =- 0,02215, b1 =- 0,0004139 и w =0,03422 при ~ 477 нм и a0 =0,2941, a1 =- 0,06608, b1 =- 0,005685 и w =0,0349 при ~ 641 нм. Положения минимальной и максимальной интенсивностей были прочитаны как 0 ° и 90 °, соответственно, как для ~ 477 нм, так и для ~ 641 нм. Соответствующие кривые также были нанесены на рис. 4b и c синими линиями. w в основном идентичен как на ~ 477 нм, так и на ~ 641 нм и почти равен таковому на ~ 457 нм и ~ 629 нм SL ReS ₂ хлопья на SiO ₂ / Si, что означает, что поляризованные свойства в SL ReS ₂ чешуйки проявляют тенденцию к изменению функции sin или cos при изменении угла поляризации от 0 до 360 ° и периода равномерного, когда они прикрепляются к любой подложке.

а Кривые поляризационно-оптического контраста SL ReS ₂ чешуйки на кварцевой подложке. б Изменение интенсивности на ~ 477 нм от 0 до 360 °. c Изменение интенсивности на ~ 641 нм от 0 до 360 °

Выводы

В заключение SL MoS ₂ и ReS ₂ на SiO ₂ / Si подложка и кварцевая подложка были исследованы с помощью спектров поляризационного отражения, которые выявили значительную изотропию в плоскости в SL MoS ₂ из-за гексагональной структуры и плоской анизотропии в SL ReS ₂ за счет дополнительной искаженной структуры с гексагональной структурой. Согласно поляризованным кривым оптического контраста с углами поляризации, в SL MoS ₂ есть некоторые зависящие от длины волны пики или впадины. и ReS ₂ предсказывается различными кристаллическими структурами. Изменение интенсивностей на пиках или впадинах в зависимости от углов поляризации подтверждает существование различных зависимых от угла свойств в SL MoS ₂ и ReS ₂ . Те же свойства существуют в некоторых материалах SL 2D, имеющих аналогичную структуру с MoS ₂ . например WS ₂ , MoSe ₂ , и WSe ₂ , и имеющий аналогичную структуру с ReS ₂ например ReSe ₂ и WTe ₂ . Есть много других материалов SL 2D, которые имеют другие типы асимметричных решетчатых структур, такие как BP и SnSe, которые имеют сильно изогнутые сотовые листы с «впадинами», проходящими вдоль y -ось. Эти образцы также могут иметь анизотропные особенности. Это означает, что вскоре могут быть реализованы и продвинуты некоторые новые поляризационно-зависимые электронные устройства с учетом большого разнообразия образцов.

Доступность данных и материалов

SL MoS ₂ и SL ReS ₂ хлопья отслоились от объемного MoS ₂ и ReS ₂ кристаллы методом микромеханического скола, полученные на двух типах подложек:подложка Si {100}, покрытая 89 нм SiO ₂ и кристалл кварца толщиной 1 мм, идентифицированный с помощью сверхнизкочастотной спектроскопии комбинационного рассеяния света и спектроскопии фотолюминесценции. Измерения спектров отражения были выполнены в геометрии обратного рассеяния с использованием микро-рамановской системы Jobin-Yvon HR800. В качестве источника света использовалась вольфрамовая галогенная лампа. На пути света перед образцом помещался поляризатор. Путем непрерывного поворота поляризатора от 0 до 360 ° были измерены спектры поляризационного отражения образцов и подложек, а для нормализации данных был использован метод оптического контраста.

Сокращения

PL:

Фотолюминесценция

SL:

Однослойный

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов