SiO2 / Siおよび石英基板上の単層MoS2およびReS2の反射スペクトルの偏光特性

要約

MoS ₂ およびReS ₂ 多くの優れた電気的および光学的特性を備えた典型的な遷移金属カルコゲニドです。格子対称性が異なるため、ReS ₂ MoS ₂よりも1つ多いディメンションを提供しますその物理的特性を調整します。この論文では、単層MoS ₂の偏光反射スペクトルを研究しました。およびReS ₂ 。明確な違いは、単層ReS ₂の強い角度依存特性を識別します単層MoS ₂とは異なります。両方のSiO ₂でのサンプルの結果 / Si基板と石英基板は単層ReS ₂を示しますは面内異方性であり、反射強度の変化周期は偏光角で推定されます。

はじめに

グラフェン研究の急速な進歩は、他のいくつかのタイプの二次元層状材料への関心を刺激しました。最近、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）が、顕著な電子的および光学的特性の観察以来、かなりの注目を集めています[1,2,3]。これらのTMD結晶は、グラフェンの剥離と同様に、成長させるか、単層の厚さに機械的に剥離することができます。ただし、グラフェンとは対照的に、単層TMDは複数の元素で構成されているため、グラフェンよりも物理的特性が複雑になります。 TMDの中で、MoS ₂ は最も広く研究されており、1つのMo平面が通常2H構造の2つのS平面の間に挟まれています[4]。 MoS ₂などのこれらの対称性の高い六角形構造とは対照的です。、ReS ₂などの別の種類のTMD 歪んだ1T '構造を示す[5]。上部と下部のS原子は、追加のパイエルスねじれを持つ六角形の構造を持つRe原子の中間層を挟みます[5]。これは、レニウム原子が1つの余分な価電子を持っているため、ReS ₂に追加のRe–Re結合が形成されるためです。（単層MoS ₂の原子構造図およびReS ₂ 追加ファイル1：図S1に示されています。）ReS ₂の対称性の低下面内異方性が大きくなるため、自由度が増し、ReS ₂になります。 FETおよび偏光に敏感な光検出器を製造するための興味深い材料[5、6]。この論文では、単層（SLと略記）MoS ₂の分極特性を調べました。およびReS ₂ SiO ₂での角度依存反射スペクトル測定によるフレーク / Siおよび石英基板。私たちの結果は、これらの強く異方性の層状材料の新しい効果に光を当て、経験的に結晶配向を特定するために使用できます。

材料と方法

MoS ₂ およびReS ₂ この論文の層数が異なるフレークは、バルクMoS ₂から剥離されました。およびReS ₂ マイクロメカニカル開裂法による結晶であり、基板上に調製された。サンプルと基質の間の相互作用は異なり、実験結果に対する基質の影響を考慮する必要があります。したがって、2種類の基板を選択しました。1つは89nmのSiO ₂で覆われたSi {100}基板です。もう1つは、MoS ₂をサポートする厚さ1mmの水晶振動子です。およびReS ₂ フレーク（SL MoS ₂の光学顕微鏡画像およびSLReS ₂ SiO ₂でサポートされるフレーク / Si基板と石英基板でサポートされているものは、追加ファイル1：図S2に示されています。）SLジカルコゲナイドの厚さは0.6〜0.7 nmであり、測定器の測定精度に非常に敏感です。超低周波ラマン分光法[7、8]（SL MoS ₂の超低周波ラマンスペクトル）を使用しました。およびSLReS ₂ SiO ₂でサポートされるフレーク / Si基板と石英基板でサポートされているものは、追加ファイル1：図S3に示されています。）およびフォトルミネッセンス（PL）分光法[8、9]（SL MoS ₂のPLスペクトルおよびSLReS ₂ SiO ₂でサポートされるフレーク SL MoS ₂を正確に決定するために、/ Si基板と石英基板でサポートされているものを追加ファイル1：図S4に示します。およびReS ₂ フレーク。

反射スペクトル測定は、Jobin-YvonHR800マイクロラマンシステムを使用して後方散乱ジオメトリで実行されました。スポットサイズが2μm以下の光源としてタングステンハロゲンランプを使用した。 ×100（NA =0.9）の目標を使用して、5μmを超えるサンプルサイズでのテストの精度を確保しました。最高の反射光信号は、顕微鏡の焦点を合わせて最大のピーク強度を得ることによって達成されました。反射スペクトルは、400〜800nmの広い波長範囲でサンプルと裸の基板から測定されました。 1ミリメートルのグレーティングあたり600本のラインが使用されました。これにより、各CCDピクセルが1nmをカバーできるようになります。偏光子は、サンプルの前の光路上に配置されました。偏光子を0から360°まで連続的に回転させることにより、入射光と反射光の偏光方向を0から360°の偏光角で同時に変化させました。偏光子をある角度に回転させたときのサンプルの反射スペクトル（SL MoS ₂ またはSLReS ₂ ）と基板（SiO ₂ / Siまたは石英）を1回測定しました。すべての偏光反射スペクトルは、ランプ強度を変化させない条件下で測定されました。 R を使用しました（sam + sub）および R （sub）は、サンプルと裸の基板の反射強度をそれぞれ示し、光学コントラスト法を使用して、 R の式でデータを正規化しました。 _OC =1 − R （sam + sub）/ R （サブ）（基板はSiO ₂ / Si）または R _OC = R （sam + sub）/ R （sub）− 1（基板はクォーツ）。以下の研究では、SL MoS ₂の角度に依存する光学的コントラストおよびReS ₂ 異なる基板上でそれぞれ実証されました。

結果と考察

SL MoS ₂ SiO ₂ / Si基板

まず、SL MoS ₂の偏光反射スペクトルを測定しました。 SiO ₂でサポート偏光子を0から360°まで連続的に回転させることによる/ Si基板。偏光子は30°ごとに1回回転しました。図1aは、偏光角が0〜180°の場合の光学コントラストの変化を示しています。元の曲線は互いに重なり合っており、処理された曲線はわかりやすくするためにオフセットされています。 AとBの励起子放出により、〜611 nmと〜658 nmに2つのピークがあります[10、11]。それらを参照として選択し、図1bとcの偏光角が0〜360°の強度をそれぞれピンクと赤の円で示しました。 2つのピークの強度は基本的に変化していません。これは、SL MoS ₂以降に予測する必要があります。六角形に対称です。

SL ReS ₂ SiO ₂ / Si基板

SL ReS ₂の偏光反射スペクトル SiO ₂でサポート / Si基板は以下のように測定した。 SL ReS ₂の光学コントラスト曲線偏光角が0〜180°のフレークを図2 aに示し、わかりやすくするためにオフセットしています。〜457 nmに谷があり、〜629 nmにピークがあり[12]、SL ReS ₂ SL MoS ₂とは異なる結晶構造で結晶化します。。〜457 nmと〜629 nmでの強度は、偏光角が変化するにつれて変化しました。それらを参考にして、図2bとcの偏光角が0〜360°の強度を、それぞれピンクと赤の円で示しました。 2つの位置の両方の強度は、偏光角に対する偏光依存性を示しています。これは、SL ReS ₂の結晶対称性が低いことに直接起因します。。 SL ReS ₂の面内歪み格子は、多層ReS ₂の層間結合に大きな影響を与えると予想されます。同様の偏光依存性が異方性のように積み重ねられた2L ReS ₂の光学コントラスト曲線で見つかったためです。 SiO ₂でサポートされるフレーク / Si基板[12]、さらには等方性のように積み重ねられた2 L ReS ₂の超低周波ラマンスペクトルおよびPLスペクトルでもフレーク[8]。

〜457 nmと〜629 nmでの強度の関数を、1次フーリエ式 f によって偏光角としてフィッティングしました。（θ ）=a0 + a1×cos（θ × w ）+ b1×sin（θ × w ）、ここでθ は偏光角です。 a0、a1、およびb1は振幅です。および w 周波数です。最小強度と最大強度の位置は、〜457 nmと〜629 nmの両方で、それぞれ20°と110°として読み取られました。フィットした曲線も図2bとcに青い線でプロットされています。〜457 nm、a0 =8.269、a1 =− 4.787、b1 =− 4.585、および w =0.0348、および〜629 nmで、a0 =34.27、a1 =− 5.99、b1 =− 4.747、および w =0.03525。 w がほぼ等しいため、偏光角と基本的に同じ変化周期を持ちます。。 SL ReS ₂の歪んだ構造から派生する必要があります。

SL MoS ₂ クォーツ基板上

SiO ₂ / Si基板は不透明で、入射光は空気/サンプルとサンプル/基板の界面を通過し、最終的に基板に吸収されました。その間、反射光は各インターフェースから集められ、最終的に空中に透過されました。多層構造で発生した光干渉と基板の物性は、サンプルに加えて出力反射信号に含まれていました[12]。 SiO ₂ R の式でデータを正規化するために光学コントラスト法を使用しましたが、/ Si基板は偏光基板でした。 _OC =1 − R （sam + sub）/ R （サブ）。次に、基板からの偏光特性の乱れを排除するために、SL MoS ₂の偏光反射スペクトルを測定しました。およびReS ₂ 石英基板の透明性と等方性により、石英基板上に。

石英基板は透明なので、測定中の透明性を確保するために、サンプルステージを吊り下げて配置する必要があります。入射光は、空気/サンプル、サンプル/基板、および基板/空気の界面を通過し、反射光の収集を妨げることを避けるために、最終的に空気に吸収されました。 R の式を使用しました _OC = R （sam + sub）/ R （sub）−1データを正規化します。図3aは、SL MoS ₂の偏光光学コントラスト曲線を示しています。偏光角を0から180°まで変化させた石英基板上のフレーク。ご覧のとおり、〜615 nmと〜665nmにそれぞれAとBの励起子に関連する2つのピークがあります。それらの位置は、SiO ₂でサポートされている位置よりも長波長に向かっていくらかシフトしています。異なる基板への干渉効果による/ Si基板[11]。それらの強度を、図3bおよびcの偏光角でプロットしました。 2つのピークの強度は、偏光角が変化してもほとんど変化しません。これは、SL MoS ₂の面内等方性を示しています。どんな基板に取り付けても変更できません。

SL ReS ₂ クォーツ基板上

図4aは、SL ReS ₂の偏光光学コントラスト曲線を示しています。石英基板上のフレーク。それぞれ〜477 nmと〜641nmに2つの谷があります。水晶基板でサポートされているものとSiO ₂でサポートされているものの機能の違い / Si基板は、さまざまな基板への干渉効果も原因です[11]。図4bとcは、偏光角を持つ2つの谷の強度を示しています。どちらも偏光角に偏光依存性を示しており、SL ReS ₂ 基板に関係なく面内異方性です。〜477 nmおよび〜641 nmでの強度の関係を、1次フーリエ式 f によって偏光角に適合させました。（θ ）=a0 + a1×cos（θ × w ）+ b1×sin（θ × w ）、ここで、a0 =0.3168、a1 =− 0.02215、b1 =− 0.0004139、および w =0.03422、〜477nmおよびa0 =0.2941、a1 =− 0.06608、b1 =− 0.005685、および w =〜641nmで0.0349。最小強度と最大強度の位置は、〜477 nmと〜641 nmの両方で、それぞれ0°と90°として読み取られました。フィットした曲線も図4bとcに青い線でプロットされています。 w SL ReS ₂の〜477 nmと〜641 nmの両方で基本的に同一であり、〜457 nmと〜629nmでのそれとほぼ同じです。 SiO ₂でサポートされるフレーク / Si基板。これは、SL ReS ₂の分極特性を意味します。フレークは、偏光角が0°から360°に変化するにつれてsinまたはcos関数に変化する傾向を示し、どの基板に取り付けても周期は均一です。

結論

結論として、SL MoS ₂ およびReS ₂ SiO ₂ / Si基板と石英基板上は、偏光反射スペクトルによって研究されており、SL MoS ₂の重要な面内等方性を識別します。 SL ReS ₂の六角形構造と面内異方性による六角形の構造を持つ追加の歪んだ構造のため。偏光角のある偏光光学コントラスト曲線によると、SL MoS ₂には波長に依存する山または谷がいくつかあります。およびReS ₂ さまざまな結晶構造によって予測されます。偏光角による山または谷での強度の変化は、SL MoS ₂に異なる角度依存特性が存在することを確認します。およびReS ₂ 。 MoS ₂と同様の構造を持つ一部のSL2D材料にも同じ特性が存在します。 WS ₂など、MoSe ₂ 、およびWSe ₂ 、およびReS ₂と同様の構造を持つ ReSe ₂などおよびWTe ₂ 。 BPやSnSeなど、他のタイプの非対称格子構造を持つSL 2D材料は他にもたくさんあり、 y に沿って「トラフ」が走っているハニカムシートが強く座屈しています。 -軸。これらのサンプルは、異方性の特徴も示す場合があります。これは、さまざまなサンプルを考慮して、いくつかの新しい偏光依存電子デバイスがまもなく実現され、促進される可能性があることを意味します。

データと資料の可用性

SL MoS ₂ およびSLReS ₂ フレークはバルクMoS ₂から剥離されましたおよびReS ₂ マイクロメカニカル劈開法による結晶。2種類の基板上に作成されます。89nmのSiO ₂で覆われたSi {100}基板厚さ1mmの水晶で、超低周波ラマン分光法とPL分光法で同定されています。反射スペクトル測定は、Jobin-YvonHR800マイクロラマンシステムを使用して後方散乱ジオメトリで実行されました。光源にはタングステンハロゲンランプを使用した。偏光子は、サンプルの前の光路上に配置されました。偏光子を0°から360°まで連続的に回転させることにより、サンプルと基板の偏光反射スペクトルを測定し、光学コントラスト法を使用してデータを正規化しました。