Быстрая оптическая идентификация образования дефекта в монослое WSe2 для оптимизации роста

Введение

Ультратонкие TMDC (MX ₂ , M =Mo, W; X =Se, S и т. Д.) Широко применяются в фотонных и оптоэлектронных областях, таких как фотодетекторы [1,2,3,4], ультратонкие транзисторы [5, 6], фотоэлектрические устройства [7, 8], сенсоры [9, 10] и электрокатализ [11]. По сравнению с методом механического отшелушивания, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) показывает большие преимущества в массовом производстве, морфологии и управлении структурой [12,13,14,15], что очень желательно для разработки гибких материалов с большой площадью и приложений оптоэлектронных устройств [ 2, 16,17,18]. Однако образование дефектов решетки в двумерных (2D) материалах во время выращивания методом CVD отрицательно сказывается на его фотоэлектрических свойствах, характеристиках устройства и даже стабильности кристалла. Например, подвижность дырок WSe ₂ Полевой транзистор, изготовленный с использованием монослоя, выращенного методом CVD, намного ниже теоретических предсказаний [19]. Неоднородное распределение излучения фотолюминесценции (ФЛ), вызванное образованием дефектов, широко наблюдается в выращенном монослое TMDC [20,21,22,23,24]. Монослой TMDC, выращенных методом CVD, показывает плохую стабильность решетки на воздухе [25]. Высокая плотность дефектов в 2D-материалах, выращенных методом CVD, значительно ограничивает производительность и стабильность их устройств, особенно для устройств, находящихся на воздухе в течение длительного времени.

Наиболее прямыми и эффективными методами обнаружения дефектов 2D-материалов являются просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) [26] и метод сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) [27]. Но эти методы обычно требуют переноса образца, который может вызвать новые дефекты. К тому же эти методы трудоемки и обнаруживают дефекты только на небольшой площади. Для оптимизации роста очень востребован быстрый и неразрушающий метод оценки. Рамановская спектроскопия - важный и неразрушающий метод исследования колебаний решетки, искажения решетки и электронных свойств материалов [28, 29]. Например, XeF ₂ дефекты, вызванные обработкой в ​​WSe ₂ были изучены путем сравнения E ¹ _{2 г} интенсивность пика, сдвиг пика и полная ширина на полувысоте (FWHM) [30]. Спектроскопия ФЛ показывает преимущества в быстром определении оптических свойств и обнаружении электронной структуры TMDC без повреждения. Поэтому он широко используется для исследования оптических свойств TMDC [2, 31, 32]. Кроме того, ФЛ весьма чувствительна к экситонам, трионам и дефектам в однослойных ТМДК [33,34,35,36]. Rosenberger et al. показать обратную зависимость между интенсивностью ФЛ монослоя WS ₂ и плотность дефектов [21]. Дальнейшие исследования показывают, что слабая ФЛ в основном связана с образованием отрицательно заряженных экситонов [37]. Таким образом, оптическая характеризация предлагает быстрый и неразрушающий метод оценки локализованных дефектов и кристаллического качества TMDC.

Время роста и температура роста - два наиболее важных параметра, влияющих на рост 2D-материалов. Эти эффекты на продолжительность роста WSe, выращенного при ССЗ ₂ о монослое сообщалось ранее [38]. Поэтому в этой работе мы стараемся сосредоточиться на различии оптических свойств WSe ₂ выращены при разных температурах и изучат различия в стабильности кристаллов, вызванные дефектами. Оптические характеристики и качество решетки исследуются с использованием методов конфокального комбинационного рассеяния и фотолюминесценции для оптимизации роста. Установлено, что дефекты кристалла ослабляют интенсивность излучения ФЛ и приводят к неоднородному распределению излучения в треугольнике WSe ₂ . домена из-за разницы в плотности дефектов. Более того, эти дефекты вызывают низкоэнергетический пик излучения в спектре ФЛ, который наблюдается как в спектрах ФЛ при комнатной температуре, так и в спектрах низкотемпературной ФЛ. Помимо отрицательного влияния на оптические характеристики, дефекты ухудшают стабильность кристалла на воздухе, что приводит к более высокой скорости разложения WSe ₂ . Основываясь на результатах оптических характеристик, мы обнаружили, что существует температура оптического роста для WSe ₂ . В нашем случае это температура 920 ° C. Снижение или увеличение температуры роста влияет на оптические свойства и стабильность кристаллов монослоя WSe ₂ . Эти результаты позволяют нам оптимизировать оптические свойства и стабильность кристаллов 2D-материалов [39].

Методы

Синтез однослойного WSe ₂

Монослой WSe ₂ был синтезирован с использованием порошка селена высокой чистоты (Alfa-Aesar 99.999%) и WO ₃ порошка (Aladdin 99,99%) с использованием кварцевой трубчатой ​​печи диаметром 2 дюйма. Порошки Se (30 мг) помещали в кварцевую лодочку в первую зону нагрева. WO ₃ порошки (100 мг) помещали в кварцевую лодочку во вторую зону нагрева. Расстояние между порошком Se и WO ₃ пудра около 25 см. c -сапфировые подложки (0001) были очищены и помещены на выходе (5 ~ 10 см) от WO ₃ твердые источники. Перед экспериментами камеру прокачивали около 10 минут и промывали газом-носителем Ar высокой чистоты (99,9999%) при расходе 200 кубических сантиметров в стандартном состоянии в минуту (sccm) при комнатной температуре для удаления кислородного загрязнения. После этого 10% H ₂ газовая смесь Ar с потоком 50 см 3 / мин вводилась в печь при атмосферном давлении. Вторая зона нагрева нагревалась до заданной температуры (860 ~ 940 ° C) со скоростью 20 ° C / мин. После этого температуру поддерживали на уровне температуры роста в течение 6 мин. Между тем, в первой зоне нагрева поддерживалась температура 320 ° C. После выращивания печь охлаждали до комнатной температуры.

Характеристика

Морфология выращенного WSe ₂ был исследован с помощью оптической микроскопии (NPLANEPi100X). Измерения комбинационного рассеяния света и микро-ФЛ были выполнены с использованием системы Renishaw (inVia Qontor). Накачка возбуждения осуществлялась через линзу объектива (× 100) с зеленым (532 нм) лазером и решеткой 1800 штр. / Мм. Измерения с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) проводили с использованием системы Agilent (Agilent 5500, Digital Instruments, режим постукивания). Изменения морфологии монослоя WSe ₂ были исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, TESCAN MIRA3 LMU).

Результаты и обсуждение

Влияние температуры роста на WSe ₂ проводился в диапазоне температур от 860 до 940 ° C. Статистический анализ изображений оптической микроскопии и характеристик ФЛ показывает, что оптимальная температура роста составляет 920 ° C, как показано на рис. 1a, c. Кроме того, при 920 ° C влияние времени роста на размеры и плотность выращенных методом CVD WSe ₂ хлопья. Размер WSe ₂ Количество хлопьев постепенно увеличивается со временем (3–20 мин), и полученные результаты во многом аналогичны опубликованным ранее [38]. Когда время роста составляет 20 минут, даже миллиметровый WSe ₂ пленку можно выращивать. После формирования пленки формируется второй слой (больше изображений оптической микроскопии и статистика PL показаны в дополнительном файле 1:Рисунок S1 – S3 во вспомогательной информации (SI)). При температуре 920 ° C высокая плотность треугольных WSe ₂ формируется домен однородного размера со средней длиной края ~ 35 мкм. АСМ-характеристика показывает толщину ~ 0,9 нм (см. Рис. 1б). Кроме того, комбинационное рассеяние света обнаруживает характерные моды колебаний (E ¹ _{2 г} и A _1g ) WSe ₂ быть на ~ 249,5 и ~ 260 см ⁻¹ соответственно (см. рис. 1г), которые также наблюдались в предыдущих сообщениях [38, 40]. Нет B _2g (308 см ⁻¹ ) обнаружена мода, которая представляет собой колебания между разными слоями [30, 41]. Эти результаты показывают, что выращенный WSe ₂ однослойный. Понижение или повышение температуры роста приводит к уменьшению как плотности, так и размера WSe ₂ домены. При низкой температуре роста (860 ° C) плотность WSe ₂ значительно меньше и размер зерна уменьшен до ~ 5 мкм. Повышение температуры роста до 920 ° C увеличивает плотность зарождения и скорость роста кристаллов (см. Рис. 1c) [42]. Размер домена снова уменьшается, когда температура превышает 920 ° C, что, вероятно, связано с более высокой скоростью разложения. Несмотря на различие в морфологии, выращенный WSe ₂ в исследованном диапазоне температур (от 860 до 940 ° C) все являются монослоями. Интен- Эта разница в интенсивности излучения предполагает, что даже если однослойный WSe ₂ могут быть получены при разных температурах роста, однако их оптические характеристики сильно различаются. Причину такой разницы в излучении ФЛ можно выявить и по комбинационному рассеянию света. На рисунке 1d сравниваются рамановские спектры WSe ₂ . при различной температуре роста от 860 до 940 ° C (более подробная статистика спектроскопии комбинационного рассеяния показана в Дополнительном файле 1:Рисунок S4). Отсутствие B _2g mode указывает, что WSe ₂ является монослоем, выращенным при разных температурах [30, 41]. E ¹ _{2 г} частота и интенсивность связаны с уровнем деформации и качеством кристалла [23, 43, 44], а полная ширина пика комбинационного рассеяния может отражать качество кристаллов 2D материалов. Более узкая полуширина свидетельствует о более высоком кристаллическом качестве 2D-материалов [12]. Как эксперименты, так и теоретические расчеты показывают, что E ¹ _{2 г} пики около 249,5 см ⁻¹ для идеального WSe ₂ монослойный кристалл [41, 45]. На рисунке 1e показан E ¹ _{2 г} частота и интенсивность как функция температуры. E ¹ _{2 г} частота падает с 251,5 см ⁻¹ минимум 249,5 см ⁻¹ при 920 ° C, а затем снова увеличивается в течение исследуемого диапазона температур, и FWHM показывает аналогичную тенденцию, что и E ¹ _{2 г} частота (см. рис. 1е). Кроме того, E ¹ _{2 г} пиковая интенсивность представляет собой максимальную интенсивность при 920 ° C. Учитывая наивысшую интенсивность комбинационного рассеяния света, самую узкую FWHM, идеально согласованный пик комбинационного рассеяния (E ¹ _{2 г} пик составляет около 249,5 см ⁻¹ для идеального монослоя WSe ₂ ) и наибольшей интенсивности излучения ФЛ, мы демонстрируем, что монослой WSe ₂ выращенные при 920 ° C, демонстрируют чистоту кристаллов [12, 30].

Оптимизация роста монослоя WSe ₂ на сапфировой подложке. а Оптический и b соответствующие АСМ изображения треугольного монослоя WSe ₂ выращены при 920 ° C. c Средний размер домена и интегральная интенсивность ФЛ. г Рамановские спектры. е E ¹ _{2 г} частота и интенсивность вместе с f FWHM из E ¹ _{2 г} пик для монослоя WSe ₂ выросли с 860 ° C до 940 ° C. Все спектры комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции были взяты из аналогичной области треугольного монослоя WSe ₂ , как указано красной точкой на a

Равномерность излучения выращенного WSe ₂ Монослой исследуют с помощью картирования фотолюминесценции по сравнению с рис. 2, на котором показано распределение интенсивности излучения в зависимости от температуры. Фотонное излучение WSe ₂ слой, выращенный при 920 ° C, равномерно распределяется по всему монослою, за исключением центральной области, где WO _3-x и WO _{3- x} Se _y образуются в атмосфере с дефицитом селена в качестве центра зародышеобразования для непрерывного WSe ₂ рост [46,47,48]. Результаты сканирования линии интенсивности ФЛ на вставке дополнительно подтверждают постоянство интенсивности излучения и энергии излучения. Однако интенсивность излучения ФЛ становится неоднородной для других температур роста (см. Рис. 2г – е). При более низкой температуре роста (900 ° C) интенсивность излучения из области внутреннего вогнутого треугольника намного слабее, чем из области, близкой к краю треугольника. Согласно WSe ₂ расположение атома в области треугольника [49, 50], слабое излучение идет в направлении кресла. При более высокой температуре роста (940 ° C, см. Рис. 2е) карта интенсивности ФЛ представляет другую картину интенсивности. Наибольшая интенсивность ФЛ наблюдается в центральной области и постепенно уменьшается к краю треугольника (больше примеров см. В Дополнительном файле 1:Рисунок S5). Эту разницу в эмиссии невозможно наблюдать с помощью оптических или АСМ-измерений. Эмиссия ФЛ в монослойном кристалле TMDC обычно неоднородна и наблюдалась довольно много раз как в слоях, выращенных методом CVD [21,22,23, 51,52,53], так и в слоях с механическим расслоением [24, 54,55,56]. Основные причины неоднородного излучения ФЛ включают дефекты решетки (включая примеси [56, 57] и вакансии [27]), локализованные электронные состояния [52, 58], деформацию [43] и краевой эффект [22]. В нашем эксперименте подобной особенности из-за локализованных электронных состояний или краевого эффекта не наблюдается. Деформация не должна быть основным фактором распределения интенсивности ФЛ по следующим причинам. Во-первых, для WSe ₂ выращенные при 900 ° C, центральная и краевая области проходят одинаковую термообработку; полученный уровень деформации должен быть таким же [59]. Во-вторых, Kim et al. сравнил PL WS ₂ до и после переноса на просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) медную сетку, исключая возможность того, что подложка вызвала неоднородное распределение ФЛ и комбинационного рассеяния света [58]. В-третьих, E ¹ _{2 г} режим чувствителен к деформации и используется для оценки уровня деформации [44]. E ¹ _{2 г} пик центральной и краевой области в монослое WSe ₂ рост при 900 ° C такой же (249 см ⁻¹ ) без каких-либо признаков сдвига пика (как показано на рис. 3a), что указывает на почти постоянное распределение уровня деформации между подложкой и WSe ₂ . В соответствии с вышеизложенным, мы предполагаем, что неоднородное излучение является отражением распределения плотности дефектов. Интенсивность излучения в яркой области излучения образцов, выращенных при разных температурах, довольно схожа, что указывает на одинаковое качество кристаллов в этих областях, несмотря на разницу температур роста.

Картирование интеграла ФЛ (диапазон 725–785 нм) монослоя WSe ₂ выращены при разных температурах вместе с соответствующими оптическими изображениями. а , d 900 ° С. б , e 920 ° С. c , f 940 ° С. Вставка в a является атомарной иллюстрацией WSe ₂ слой, показывающий направление кресла. Мощность возбуждения для отображения PL составляет 50 мкВт

а Рамановские спектры получены из центральной и краевой областей при уровнях мощности возбуждающего лазера 50 мкВт. Спектры ФЛ подтверждают наличие кристаллических дефектов в WSe ₂ выращены при 900 ° C. Спектры ФЛ при комнатной температуре от b по центру и c край WSe ₂ вместе с подобранными спектрами с использованием уравнения Войта (50% Гаусса, 50% Лоренца). г Спектры низкотемпературной (77 К) ФЛ из центральной и краевой позиции, демонстрирующие сильный дефектный пик из центральной области. Спектр ФЛ при 77 К от центральной области имеет три пика

Спектры излучения КР и ФЛ от центра и края монослоя WSe ₂ , выращенные при 900 ° C, сравниваются на рис. 3. Полученные спектры ФЛ из центрального положения деконволютированы на три пика:нейтральный экситон при ~ 1,624 эВ (обозначен как A) [51, 52], трион при 1,60 эВ (обозначен как A ⁺ ) [29, 52], а также неизвестный пик излучения (обозначенный D) около 1,53 эВ (подробный базис подгонки показан в Дополнительном файле 1:Рисунки S6 – S8). На рис. 3б показано, что в излучении ФЛ преобладает A ⁺ в центральном положении. Энергия связи для A ⁺ оценивается примерно в 24 мэВ, что является разностью энергий трионов и нейтрального экситона [36]. Он идеально соответствует значению положительного триона в литературе [33, 35], где трион состоит из двух отверстий ( h ⁺ ) и электрон ( e ^- ). Действительно, недавние исследования показывают, что WSe ₂ , выращенный при сердечно-сосудистых заболеваниях. обычно p-типа из-за образования вакансии вольфрама [27]. Эти результаты согласуются с общими правилами эффектов легирования в полупроводниках. Во время экспериментов с ФЛ, зависящими от мощности, D-излучение быстро насыщается (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S7 в SI), предполагая, что неизвестное излучение на самом деле вызвано дефектами решетки, как это наблюдалось в других отчетах [24, 33, 51, 52]. Для сравнения, излучение с края не содержит этого пика, связанного с дефектом. Вместо этого пик излучения намного уже и сильнее и состоит в основном из пика нейтрального экситона с пиком триона в качестве плеча. Во время экспериментов по мощности зависимой ФЛ полуширина WSe ₂ как по центру, так и по краю не изменяется с изменением мощности, что указывает на отсутствие признаков эффекта местного нагрева (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S8 в SI) [51, 60]. Этот связанный с дефектом пик излучения становится более очевидным при низкой температуре (77 K) по сравнению с рис. 3d. Спектр ФЛ при 77 К от центральной области состоит из трех пиков излучения. Путем расчетов энергии связи монослоя WSe ₂ для триона (A ⁺ ), а эмиссия, связанная с дефектами, составляет около 24 мэВ и 100 мэВ соответственно, что согласуется с нашими результатами аппроксимации ФЛ при комнатной температуре.

Эти результаты подтверждают наличие кристаллического дефекта в WSe ₂ , выращенном методом CVD. монослой. Эти дефекты являются центрами нерадиоактивной рекомбинации, что снижает эффективность излучения фотонов [24, 61]. Более того, плотность дефектов зависит от положения и условий роста, что приводит к различной картине распределения излучения на рис. 2. При плохих условиях роста монослой WSe ₂ все еще может формироваться. Однако большая часть площади сильно повреждена и содержит только небольшую область с высокой степенью чистоты кристаллов. Спектр и отображение ФЛ обеспечивают быстрый метод оценки качества кристаллов и оптимизацию роста. Согласно приведенному выше анализу монослой WSe ₂ рост при более низкой температуре роста показывает более низкое качество кристаллов, что может быть связано с недостаточной реакцией между WO _{3- x} и газ Se [62, 63]. Таким образом, повышение температуры могло бы преодолеть реакционный барьер и сформировать WSe ₂ с высоким качеством кристаллов (920 ° C). Однако постоянное повышение температуры (940 ° C) могло привести к разложению образовавшегося монослоя WSe ₂ при недостаточной защите газа Se [64]. Таким образом, механизм образования дефектов может изменяться при разных температурах роста, что приводит к разным схемам распределения излучения. Мы обнаружили, что интенсивность ФЛ внутренней области треугольника наименьшая. Уменьшение интенсивности ФЛ свидетельствует о том, что дефекты кристалла WSe ₂ были получены из центра треугольника, что согласуется с предыдущими сообщениями [51]. Кроме того, вероятность искажения решетки в направлении кресла (см. Рис. 2а) больше для монослоя WSe ₂ при 900 ° С. Как WSe ₂ растет от центра треугольника до трех угловых сторон треугольника, кристалл качества WSe ₂ становится лучше.

Стабильность кристалла всегда является проблемой для однослойного кристалла TMDC, и наличие дефекта кристалла обычно ухудшает эту ситуацию. Прямая связь между дефектами кристалла и распадом WSe ₂ показано на рис. 4. После выдерживания измеренных образцов в условиях воздуха в течение еще 90 дней, интенсивность излучения ФЛ для образцов, выращенных при температурах 900 ° C и 940 ° C, заметно уменьшилась, как и ожидалось, из-за быстрого разложения, в то время как картина распределения интенсивности излучения кардинально не меняется. Это разрушение кристаллов можно наблюдать даже с помощью оптической микроскопии, как показано на рис. 4d, e. Область разложения идеально совпадает с областью низкого излучения ФЛ на рис. 2г. Это наблюдение предполагает, что образовавшиеся дефекты в WSe ₂ действуют как центр процесса разложения, в значительной степени снижая стабильность кристаллов на воздухе. Напротив, WSe ₂ выращенные при оптимальной температуре с чистым качеством кристаллов, демонстрируют гораздо лучшую стабильность кристаллов. Падение интенсивности излучения не очевидно, но все же наблюдается сильное излучение ФЛ. Однако интенсивность излучения становится неоднородной со слабым излучением в центре края треугольника (больше примеров см. В Дополнительном файле 1:Рисунок S5). Это говорит о том, что процесс разложения или разрушения кристаллов в высококачественном WSe ₂ начинается от центра ребра треугольника. Спектры ФЛ и КР WSe ₂ выращенные при 900 ° C до и после 90 дней сравниваются на рис. 4е, ж. E ¹ _{2 г} мода колебаний центральной области сдвинута в красную область на ~ 3,7 см ⁻¹ в то время как этот сдвиг составляет всего ~ 1.9 см ⁻¹ в краевой области. Как показано на рис. 1, результаты показывают, что качество кристалла ухудшается быстрее в области с более высокой плотностью дефектов решетки. Наличие дефектов решетки снизило бы энергетический барьер для WSe ₂ разложения и ускорить процесс разложения. Область с более высокой плотностью дефектов легко может объединяться с О и ОН, что ухудшает стабильность ее решетки [25]. Затем этот процесс постепенно распространяется на весь монослой WSe ₂ . Этот процесс эволюции решетки полностью соответствует нашим процессам эксперимента по старению (см. Рис. 4e и 5). Следовательно, WSe ₂ выращенный при 900 ° C, начинает разлагаться из центральной области. Для сравнения, WSe ₂ выращенный при 920 ° C, разлагается медленнее из-за лучшего качества кристаллов. И разложение начинается с более химически активных областей, таких как края и границы зерен [65], как показано на рис. 4b.

Прямая корреляция между стабильностью кристалла и дефектом решетки WSe ₂ . Отображение PL WSe ₂ монослой, выращенный на a 900 ° С, b 920 ° C и c 940 ° С соответственно после помещения на воздух на 90 дней. Оптические изображения WSe ₂ выращены при 900 ° C d до и е через 90 дней. е Раман и g Сравнение спектров ФЛ от центра и края WSe ₂ образец выращивали при 900 ° C до и через 90 дней. Мощность возбуждения для измерений ФЛ 50 мкВт

SEM-изображения a свежий монослой WSe ₂ выращены при 900 ° C, помещены на воздухе на b 30 дней, c 90 дней и д 180 дней соответственно. Увеличенный вид центра и угла f через д . Все образцы хранили при 25 ° C. е , f Увеличенные изображения центра и вершины монослоя d соответственно

Эмиссия PL на рис. 4g демонстрирует аналогичную тенденцию. По сравнению с данными, полученными за 90 дней до этого, положение пика ФЛ и интенсивность излучения центральной области сдвинуты в синий цвет на ~ 60 мэВ и уменьшились в 7 раз соответственно. Кроме того, ширина на полувысоте составляет ~ 17 мэВ. Напротив, положение пика ФЛ и FWHM края почти одинаковы, а интенсивность излучения падает только до половины интенсивности, измеренной за 90 дней до этого. Используя тот же подход, мы обнаружили, что процесс разрушения кристаллов в монослое WSe ₂ выращивание при 940 ° C демонстрирует тот же механизм:чем выше качество кристалла, тем медленнее происходит разложение.

Чтобы лучше понять процесс старения, эволюция морфологии монослоя WSe ₂ выращивание при 900 ° C со временем показано на рис. 5. Стареющая область начинается от центра треугольника (см. рис. 5b). По мере увеличения времени выдержки WSe ₂ постепенно разлагается от центра к вершине треугольника, как показано на рис. 5c. Через 180 дней WSe ₂ в центре треугольника и трех угловых положениях практически полностью разложены. В это время ФЛ в центре и треугольнике погасла. Рамановское рассеяние в этих разложенных областях показывает отсутствие сигнала режима колебаний WSe ₂ , подтверждающий полную декомпозицию WSe ₂ кристалл. Исследование старения одного слоя WSe ₂ выращивание при 900 ° C дополнительно демонстрирует, что место разложения очень хорошо согласуется с нашими ранее измеренными результатами картирования ФЛ. Согласно приведенным выше обсуждениям, критический фактор, влияющий на стабильность WSe ₂ образование нежелательных дефектов при росте CVD. Спектр ФЛ и комбинационного рассеяния обеспечивает простой подход к быстрому исследованию качества кристалла, чтобы направить оптимизацию роста в сторону 2D-слоя с наивысшим качеством кристалла.

Заключение

Таким образом, мы изучаем роль температуры роста на образование кристаллических дефектов и стабильность кристаллов монослоя WSe ₂ . на сапфировой подложке. Методы ФЛ и рамановской спектроскопии применяются для быстрого определения качества кристаллов, стабильности и распределения дефектов в выращенном монослое WSe ₂ в разных условиях. Благодаря такому подходу к характеристике оптимальная температура роста монослоя WSe ₂ получается при 920 ° С. Снижение или повышение температуры роста приводит к образованию более высокой плотности дефектов. При более низкой температуре роста образование дефектов, вероятно, связано с не полностью разложившимся WO _{3- x} предшественник. Дефекты начинают формироваться в центре зародыша, а затем распространяются в направлении кресла кристалла, образуя внутреннюю треугольную форму с высокой плотностью дефектов и меньшей интенсивностью излучения ФЛ. Выше оптимальной температуры роста распределение дефектов показывает другую картину и начинается с края, вероятно, из-за разложения WSe ₂ при такой высокой температуре. Излучение ФЛ показывает, что в испускании фотонов в дефектной области преобладают трионы, в то время как излучение нейтральных экситонов заметно в WSe ₂ монослой с лучшим качеством кристаллов. Эксперимент по старению дополнительно подтвердил, что область с более высокой плотностью дефектов может легко объединяться с О и ОН, что ухудшает стабильность ее решетки. Эти результаты дают представление об оптимальном синтезе различных 2D-материалов и потенциальных приложениях в области оптоэлектроники.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

2D:

двухмерный

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

PL:

Фотолюминесценция

sccm:

стандартный кубический сантиметр в минуту

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

STM:

Сканирующая туннельная микроскопия

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TMDC:

Дихалькогениды переходных металлов