Исследование термометрии в двумерном Sb2Te3 с помощью температурно-зависимой рамановской спектроскопии
Аннотация
Открытие двумерных (2D) топологических изоляторов (ТИ) демонстрирует огромный потенциал в области термоэлектричества с последнего десятилетия. Здесь мы синтезировали 2D TI, Sb 2 Te 3 различной толщины в диапазоне 65–400 нм методом механического расслоения и исследовали температурный коэффициент в диапазоне 100–300 K с помощью микро-рамановской спектроскопии. Температурная зависимость положения пика и ширины линии фононных мод была проанализирована для определения температурного коэффициента, который оказался порядка 10 –2 см −1 / K, и уменьшается с уменьшением Sb 2 Te 3 толщина. Такой низкотемпературный коэффициент способствовал бы достижению высокой добротности ( ZT ) и открывают путь к использованию этого материала в качестве отличного кандидата в термоэлектрические материалы. Мы оценили теплопроводность Sb 2 Te 3 чешуйка толщиной 115 нм на 300 нм SiO 2 / Si, что составляет ~ 10 Вт / м – К. Немного более высокое значение теплопроводности предполагает, что поддерживающая подложка значительно влияет на рассеивание тепла Sb 2 Te 3 хлопья.
Введение
Топологические изоляторы (ТИ) представляют собой новый класс квантовых материалов, имеющих широкую запрещенную зону в объеме и безщелевые поверхностные состояния Дирака, которые защищены симметрией относительно обращения времени [1,2,3]. Эти материалы имеют большие перспективы для широкого круга потенциальных приложений, включая полевые транзисторы [4, 5], инфракрасные ТГц детекторы [6], датчики магнитного поля [7, 8] и термоэлектричество [9, 10]. Термоэлектрические характеристики любого материала при температуре T регулируется безразмерной добротностью ZT ( ZT = S 2 σT / κ , где S , σ и κ обозначают коэффициент Зеебека, электропроводность и теплопроводность соответственно [11, 12]. Было доказано, что уменьшенный размер этих материалов является одним из наиболее распространенных подходов к минимизации теплопроводности и получения высокого ZT [13]. Чтобы минимизировать теплопроводность, очень важно понимать динамику фононов в этом типе материала, особенно фонон-фононное и электрон-фононное взаимодействия, все из которых имеют большое влияние на характеристики термоэлектрического устройства [14, 15].
Было доказано, что комбинационное рассеяние является важным инструментом для исследования колебательных мод в материале на основе его неразрушающей и микроскопической природы [16, 17]. Он также предоставляет важную информацию о легировании, инженерии деформации и кристаллических фазах [18, 19]. В то время как характеристики комбинационного рассеяния фононных мод в различных 2D ТИ при комнатной температуре хорошо изучены в литературе [20, 21], характеристики комбинационного рассеяния температуры при комнатной температуре все еще находятся в начальной стадии. Кроме того, хорошо известно, что изменение температуры может изменять межатомные расстояния и влиять на различные фононные моды в кристалле [14]. Поэтому спектры комбинационного рассеяния, зависящие от температуры, хорошо подходят для получения информации о теплопроводности материалов, а также об изотопических эффектах и времени жизни фононов [22, 23].
В этой работе мы представляем зависимую от мощности рамановскую спектроскопию при комнатной температуре и зависимую от температуры рамановскую спектроскопию в диапазоне температур от 100 до 300 K 2D Sb 2 Te 3 кристаллы различной толщины. Изменение положения пика комбинационного рассеяния и полной ширины на половине высоты ( FWHM ) в зависимости от температуры и мощности были проанализированы, и результаты интерпретированы для определения коэффициента теплового расширения и теплопроводности Sb 2 Te 3 хлопья в контексте термометрического исследования. Значение теплопроводности для Sb 2 Te 3 были оценены чешуйки толщиной 115 нм, и обсуждалась роль подложки в повышении теплопроводности.
Методы
Механическое отшелушивание проводилось на качественной насыпной Sb 2 Te 3 кристалл (2D Semiconductors, США) с использованием стандартной техники скотча [24] для получения Sb 2 Te 3 чешуйки разной толщины (65 нм, 80 нм, 115 нм, 200 нм и 400 нм) на 300 нм SiO 2 / Si подложки. Отслоившиеся образцы идентифицировали с помощью оптического микроскопа (LV100ND-Nikon Microscope). Боковые размеры Sb 2 Te 3 наночастицы обнаруживаются в диапазоне 5–7 мкм. Park NX-10 AFM (атомно-силовая микроскопия) использовался для измерения толщины Sb 2 Te 3 отслаивается в бесконтактном режиме.
Спектры комбинационного рассеяния света были измерены на различных чешуйках с использованием конфокальной системы микро-комбинационного рассеяния света HORIBA LabRAM в геометрии обратного рассеяния с использованием лазерного возбуждения с длиной волны 632 нм. В качестве источника возбуждения использовался лазер с размером пятна ~ 1 мкм и перестраиваемой оптической мощностью от ~ 0,4 до 2,6 мВт. Спектры регистрировались с помощью спектрометра, оснащенного CCD-камерой, охлаждаемой жидким азотом. Спектры регистрировались в диапазоне частот от 100 до 200 см −1 . со спектральным разрешением 1 см −1 . Все измерения проводились с использованием времени интегрирования 10 с, регистрации 10 и решетки 1800. Для измерений при комнатной температуре (RT) использовался 100-кратный объектив, а для измерений при низких температурах использовался 50-кратный объектив с большим рабочим расстоянием.
Результаты и обсуждение
Сб 2 Te 3 представляет собой ТИ, который кристаллизуется в ромбоэдрической кристаллической структуре с пространственной группой D 5 3 д (\ (R \ overline {3} m \)), а его элементарная ячейка содержит пять атомов [20]. Этот кристалл образован путем наложения пятиатомных слоев вдоль z- направление, известное как пятикратный слой (QL), как показано на рис. 1, с толщиной около 0,96 нм [20]. Из атомного реестра мы видим, что атом Sb зажат между двумя атомами Te, причем Te (2) атом, действующий как центр инверсии. Это центросимметричное свойство кристаллической структуры приводит к возникновению взаимно независимых комбинационных активных мод. Атомы внутри одной КЯ удерживаются вместе сильными ковалентными силами, в то время как сила между КЯ намного слабее и имеет тип Ван-дер-Ваала. Из-за слабой силы Ван-дер-Вааль во внеплоскостном направлении можно механически отслаивать тонкие слои этого материала от его объемных кристаллов. Хотя расслоенные образцы сохраняют состав и структуру объемных кристаллов, наблюдается изменение динамики фононов, когда их толщина уменьшается до наноразмерного уровня [25, 26].
Схема Sb 2 Te 3 кристалл, показывающий расположение атомов и ван-дер-ваальсовую щель. Розовый, голубой и черный кружки представляют Te (1) , Sb и Te (2) атомов соответственно. На левой панели показаны возможные фононные моды в диапазоне частот 100 см −1 . до 200 см −1 . Стрелки показывают направление колебаний составляющих атомов
Оптические микрофотографии (ОМ) трех разных Sb 2 Te 3 нанофлейки на SiO 2 / Si показаны на рис. 2a-c. Латеральные размеры чешуек находятся в диапазоне 5–7 мкм, что достаточно велико, чтобы их можно было наблюдать в ОВ. Можно заметить, что цветовой контраст чешуек очень чувствителен к толщине чешуек т.е. разная толщина показывает разный цветовой контраст. Толщины этих подготовленных чешуек были измерены с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), которые показаны на нижней панели рис. 2 вместе с их профилями высоты в поперечном сечении (рис. 2d – f). Значения толщины этих чешуек были оценены в 65 нм, 115 нм и 200 нм и оказались почти однородными, за исключением некоторых выступов. Но все рамановские измерения проводились по положению чешуек, где сохранялась однородность.
а-в ОМ изображения Sb 2 Te 3 чешуйки толщиной 65 нм, 115 нм и 200 нм соответственно. д-е Их репрезентативные изображения АСМ и профили высоты.
На рисунке 3 представлены зависимые от мощности спектры комбинационного рассеяния вышеупомянутых трех чешуек, измеренные при комнатной температуре, который состоит из четырех мод колебаний, включая две активные моды комбинационного рассеяния E 2 g и A 2 1 г назначается на частотах ~ 125 см −1 и ~ 169 см −1 , и два активных ИК-режима A 2 2u и A 3 2u назначено на ~ 115 см −1 и ~ 144 см −1 соответственно [20, 27]. Четко наблюдается красное смещение, а также увеличение пиковой интенсивности всех мод комбинационного рассеяния с увеличением мощности лазера для всех чешуек (65 нм, 115 нм и 200 нм). Эти изменения позволяют предположить, что увеличение мощности лазера приводит к значительному увеличению локальной температуры на поверхности образца [28]. Сб 2 Te 3 чешуйки толщиной 115 нм и 200 нм демонстрируют все четыре моды (A 2 2u , E 2 g , А 3 2u и A 2 1 г ) для малой мощности лазера 0,402 мВт и A 2 2u и E 2 g моды объединяются вместе с дальнейшим увеличением мощности, что видно по асимметричной ширине линии A 2 2u / E 2 g режимы на рис. 3б, в. На рисунке 3а показаны спектры комбинационного рассеяния Sb 2 . Te 3 чешуйки толщиной 65 нм при трех различных мощностях падающего лазера, и весь спектр демонстрирует только две моды комбинационного рассеяния E 2 g и A 3 2u при комнатной температуре. В этом случае форма E 2 g пики для всех мощностей лазера выглядят асимметрично, что означает, что также происходит слияние обоих A 2 2u и E 2 g режимы, подобные толстым чешуйкам (115 нм, 200 нм) при высокой мощности лазера. Однако A 2 1 г для этой толщины полностью отсутствует. Мы полагаем, что этот режим будет характеризовать внеплоскостную вибрацию, которая не будет столь значительной для такой толщины.
а-в Энергозависимые спектры микро-комбинационного рассеяния света 65, 115 и 200 нм Sb 2 Te 3 хлопья соответственно. Спектры измеряются с помощью лазера с длиной волны 632 нм с тремя различными мощностями:0,402 мВт, 1,160 мВт и 2,600 мВт. Пунктирными линиями показано положение режимов комбинационного рассеяния света.
Сравнение спектров комбинационного рассеяния трех образцов различной толщины (65 нм, 115 нм и 200 нм) при конкретной мощности лазера 0,402 мВт представлено на рис. 4a. Все наблюдаемые режимы комбинационного рассеяния и их назначения перечислены в таблице 1. Очень интересно отметить, что A 2 1 г и A 2 2u моды для чешуйки 200 нм обладают большей интенсивностью, чем две другие моды (E 2 g и A 3 2u ). A 2 1 г и A 2 2u моды более чувствительны к толщине, поскольку она отражает внеплоскостные колебания и межслойные взаимодействия Ван-дер-Уоллса. В случае Sb 2 Te 3 чешуйки толщиной 65 нм и 115 нм, форма E 2 g пики для всех мощностей лазера выглядят асимметрично, что означает слияние обоих A 2 2u и E 2 g режимы. Однако A 2 1 г полностью отсутствует для Sb 2 Te 3 чешуйка толщиной 65 нм. Этот конкретный режим комбинационного рассеяния может возникать из-за внеплоскостной вибрации, которая может не реагировать на эту толщину. Красный сдвиг наблюдается для E 2 g и A 3 2u фононные моды в случае более тонких чешуек, аналогично тому, что сообщалось Zang et al. [30], тогда как A 2 1 г режим показывает слегка синее смещение (см. Таблицу 1). Интенсивности пиков 65-нм Sb 2 Te 3 Было обнаружено, что чешуйки более выражены, чем более толстые, при той же мощности возбуждающего лазера, и это явление можно объяснить усилением оптических интерференций, возникающих как для возбуждающего лазера, так и для излучаемого рамановского излучения в слоистом TI / SiO 2 / Si система [30], о которой также сообщается для Bi 2 Se 3 и Bi 2 Te 3 [26, 31]. Из спектров комбинационного рассеяния света 115 нм Sb 2 Te 3 чешуйки (рис. 3b), комбинационные частоты E 2 g &A 2 1 г моды были извлечены в зависимости от мощности лазера, как показано на рис. 4b. Изменение частоты фононов при изменении мощности падающего лазера т.е. коэффициент мощности ( δω / δP ) была оценена на основе линейной аппроксимации извлеченных данных, которая оказалась равной - 1,59 см −1 / мВт и - 1,32 см −1 / мВт, что соответствует E 2 g и A 2 1 г режимы.
а Сравнение зависимых от толщины спектров микро-комбинационного рассеяния света для 65-, 115-нм и 200-нм Sb 2 Te 3 чешуйки при мощности лазера 0,402 мВт. Пунктирными линиями показано положение рамановских мод. б Графики комбинационного рассеяния частоты в зависимости от мощности лазера E 2 g &A 2 1 г режимы для 115-нм Sb 2 Te 3 хлопья. Сплошные линии - линейные аппроксимации экспериментальных данных (символы). Рассчитанные уклоны на основе линейных аппроксимаций показаны на вставках. Неопределенность измерения частоты комбинационного рассеяния показана в виде столбцов ошибок
Температурно-зависимые спектры комбинационного рассеяния света были измерены в диапазоне температур от 100 до 300 К, как показано на рис. 5, для трех различных чешуек с толщиной 80 нм, 115 нм и 400 нм, соответственно, при мощности лазера 1,16 мВт. Изображения ОМ, АСМ вместе с профилями высоты 80 нм и 400 нм расслоенного Sb 2 Te 3 хлопья приведены в Дополнительном файле 1:вспомогательная информация S1. При более низкой температуре 100 K четыре характеристических режима комбинационного рассеяния (A 2 2u , E 2 g , А 2 1 г и A 3 2u ) из Sb 2 Te 3 четко различимы, тогда как A 2 2u и E 2 g Рамановские режимы сливаются вместе в сторону более высоких температур т.е. 220 К и 300 К. Красное смещение и уширение пиков наблюдались во всех комбинационных режимах (A 2 2u , E 2 g , А 2 1 г и A 3 2u ) при повышении температуры от 100 до 300 К. В целом, температурно-зависимая рамановская спектроскопия широко используется для исследования теплового расширения, теплопроводности и межслоевого взаимодействия [15, 31, 32]. Кроме того, пиковая частота имеет линейную зависимость от температуры, которая дается формулой [15],
$$ \ omega \ left (T \ right) =\ omega_ {0} + \ chi T $$ (1)где ω 0 - частота колебаний этих фононных мод при температуре абсолютного нуля, а χ - температурный коэффициент первого порядка этих фононных мод. Сообщалось, что тепловое расширение и сжатие кристаллической и фононной мод может привести к зависимости положения пика в рамановской спектроскопии от температуры [33].
а-в Температурно-зависимые спектры микро-комбинационного рассеяния Sb 2 Te 3 толщиной 80 нм, 115 нм и 400 нм соответственно. Черные, красные, синие и голубые кривые представляют спектры комбинационного рассеяния при 100 К, 160 К, 220 К и 300 К, соответственно, для мощности лазера 1,16 мВт. Пунктирными линиями показано положение режимов комбинационного рассеяния света.
Положение пика в зависимости от температуры E 2 g &A 2 1 г Режимы показаны на рис. 6а, б соответственно для образцов разной толщины. Положение пика в зависимости от температуры графики (рис. 6a, b) были линейно подогнаны с использованием уравнения. 1 для расчета температурного коэффициента первого порядка ( χ ), а значения температурного коэффициента первого порядка для E 2 g &A 2 1 г Рамановские режимы перечислены в таблице 2. Расширение FWHMs из E 2 g &A 2 1 г Рамановские режимы с повышением температуры показаны на рис. 7а, б соответственно. Температурная зависимость FWHM является мерой фононного ангармонизма и линейно увеличивается с ростом температуры. Простейшее ангармоническое приближение, известное как модель симметричной трехфононной связи [34], учитывает распад оптического фонона на два фонона с равными энергиями и противоположными импульсами. В настоящей работе мы рассчитали температурный коэффициент первого порядка ( χ) и теплопроводность по зависимым от температуры рамановским спектрам. Однако мы не анализируем FWHM в контексте ZT поскольку он не имеет к нему прямого отношения.
Графики комбинационного рассеяния частоты в зависимости от температуры a E 2 g режим и b A 2 1 г режим для 80 нм, 115 нм и 400 нм Sb 2 Te 3 хлопья. Сплошные линии - линейные аппроксимации экспериментальных данных (символы). Неопределенность измерения частоты комбинационного рассеяния показана в виде столбцов ошибок
Графики зависимости FWHM от температуры a E 2 g режим и b A 2 1 г режим для 80 нм, 115 нм и 400 нм Sb 2 Te 3 хлопья. Неопределенность в оценке FWHM показана в виде столбцов ошибок
Замечено, что значение температурных коэффициентов первого порядка ( χ ) для E 2 g и A 2 1 г режим имеет порядок 10 –2 см −1 / К. Значение χ соответствует A 2 1 г режим уменьшается с - 2 × 10 –2 до - 1 × 10 –2 см −1 / К при толщине Sb 2 Te 3 чешуйки уменьшаются с 400 до 80 нм. Такой низкий χ дает низкую теплопроводность и способствует получению высокой добротности ( ZT ). Однако значение χ соответствует E 2 g мода практически постоянна и не зависит от толщины. Теперь мы рассчитали приблизительное значение теплопроводности Sb 2 Te 3 чешуйки с использованием значений коэффициента мощности и температурного коэффициента первого порядка. Теплопроводность через поверхность с площадью поперечного сечения S можно вычислить по следующему уравнению:\ (\ partial Q / \ partial t =- \ kappa {\ oint} \ nabla T.dS, \) где Q количество тепла, переданного за время t и T абсолютная температура. Учитывая радиальный тепловой поток, Баландин и др. . [40] получили выражение для теплопроводности графена, которое дается
$$ =\ left ({1/2 \ pi h} \ right) \ left ({\ Delta P / \ Delta T} \ right) $$ (2)где h - толщина двумерной пленки материала и локальное повышение температуры ΔT связано с изменением мощности нагрева ΔP . Дифференцируя уравнение. (1) относительно мощности и замены ( ΔP / ΔT ) в выражении (2) коэффициент теплопроводности можно записать следующим образом:
$$ =\ chi \ left ({\ frac {1} {2 \ pi h}} \ right) \ left ({\ frac {\ delta \ omega} {{\ delta P}}} \ right) ^ {- 1} $$ (3)где κ теплопроводность, h - толщина двумерной пленки материала, χ - температурный коэффициент первого порядка, а ( δω / δP ) представляет собой изменение частоты фонона с изменением мощности падающего лазера т.е. коэффициент мощности отдельных рамановских мод. Расчетная теплопроводность составляет ~ 10 Вт / м – К для Sb 2 . Te 3 чешуйка толщиной 115 нм на 300 нм SiO 2 / Si подложка. Это значение относительно выше, чем заявленная теплопроводность других ТИ [41]. Небольшое увеличение теплопроводности предполагает, что поддерживающая подложка играет более чувствительную роль т.е. значение теплопроводности может зависеть от межфазных зарядов [42]. Более высокая теплопроводность образца, закрепленного на подложке, также может объяснить меньшее повышение температуры при высокой мощности лазера по сравнению с подвешенным образцом. О подобном эффекте субстрата также сообщается в Su et al . для слоев черного фосфора [42]. Го и др. . также сообщили, что в определенных областях эффект рассеяния фононов может быть подавлен, а теплопроводность наноматериалов может быть неожиданно увеличена из-за сдвига фононной полосы в сторону низкого волнового вектора, вызванного взаимодействием [43]. Недавно было опубликовано теоретическое исследование влияния теплопроводности графена на подложку. Авторы также обнаружили, что как уменьшение, так и увеличение теплопроводности может быть вызвано подложкой, в зависимости от условия связывания [44]. Из уравнения. 3, теплопроводность прямо пропорциональна температурному коэффициенту первого порядка, и хорошо известно, что добротность ( ZT ) обратно пропорциональна теплопроводности. Следовательно, низкие χ и κ обещают достичь высокого ZT .
Дальнейшая работа ведется для достижения Sb 2 Te 3 нанофлейка толщиной менее 7 QL, что является пределом удержания 2D TI с использованием техники отшелушивания с помощью специального скотча или с помощью химического осаждения из газовой фазы. Ожидается, что чешуйки такой малой толщины дадут очень низкотемпературный коэффициент (~ 10 –3 до 10 –4 см −1 / K) и высокий ZT . С высоким ZT , 2D Сб 2 Te 3 будет иметь большой потенциал в области термоэлектрических приложений.
Выводы
В заключение, мы успешно синтезировали 2D Sb 2 Te 3 различной толщины в диапазоне 65–400 нм с помощью механического расслоения и исследовали термометрию этих наночешек. Температурная зависимость положения пика и ширины линии фононных мод A 2 1 г и E 2 g были проанализированы режимы для определения температурного коэффициента, который оказался порядка 10 –2 см −1 / К. Температурный коэффициент во внеплоскостном направлении уменьшается с уменьшением Sb 2 Te 3 толщина. Такой низкотемпературный коэффициент способствует достижению высокого ZT и проложить путь к использованию этого материала в качестве отличных кандидатов в термоэлектрические материалы. Используя значения температурного коэффициента и коэффициента мощности, теплопроводность 115-нм Sb 2 Te 3 чешуйки на 300 нм SiO 2 Подложка / Si была оценена как ~ 10 Вт / м – К. Немного более высокая теплопроводность по сравнению с другими ТИ предполагает, что поддерживающая подложка значительно влияет на рассеивание тепла Sb 2 Te 3 хлопья.
Доступность данных и материалов
Данные, подтверждающие выводы этого исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.
Сокращения
- ИН:
-
Топологические изоляторы
- ZT :
-
Достоинства
- OM:
-
Оптическая микрофотография
- AFM:
-
Атомно-силовая микроскопия
- FWHM :
-
Полная ширина на половине максимальной
- QL:
-
Пятиместный слой
Наноматериалы
- Наноцеллюлоза из сине-зеленых водорослей
- Поверхностный эффект на транспортировку нефти в наноканале:исследование молекулярной динамики
- Получение наностержней оксида алюминия из хромсодержащего осадка оксида алюминия
- Малоугловое рассеяние от наноразмерных жирных фракталов
- Исследование новой червеобразной мицеллярной системы, усиленной наночастицами
- Противоопухолевое исследование наногелей хондроитинсульфат-метотрексат
- Удаление антибиотиков из воды с помощью полностью углеродной трехмерной нанофильтрационной мембраны
- Двумерные мезопористые микрочипы VO2 для высокопроизводительного суперконденсатора
- Рамановская спектроскопия многослойного графена, эпитаксиально выращенного на 4H-SiC с помощью разложения джо…
- ПРИМЕР - РЕМОНТНЫЕ РЕШЕНИЯ НА ЗАВОДЕ:Крошечные детали Charmilles вызывают БОЛЬШИЕ проблемы