Las propiedades de polarización de los espectros de reflexión de MoS2 y ReS2 de capa única en sustratos de SiO2 / Si y cuarzo

Resumen

MoS ₂ y ReS ₂ son calcogenuros típicos de metales de transición con excelentes propiedades eléctricas y ópticas. Debido a las diferentes simetrías de celosía, ReS ₂ ofrece una dimensión más que MoS ₂ para sintonizar sus propiedades físicas. En este artículo, estudiamos los espectros de reflexión polarizados en MoS ₂ de una sola capa y ReS ₂ . La diferencia explícita identifica fuertes propiedades dependientes del ángulo en ReS ₂ de una sola capa distinto del MoS ₂ de una sola capa . Los resultados de las muestras en SiO ₂ / El sustrato de Si y el sustrato de cuarzo muestran ReS ₂ de una sola capa es anisotrópico en el plano y el período de cambio de la intensidad de la reflexión se estima con los ángulos de polarización.

Introducción

El rápido progreso de la investigación del grafeno ha estimulado el interés en otros tipos de materiales estratificados bidimensionales. Recientemente, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) han atraído una atención considerable desde la observación de propiedades ópticas y electrónicas notables [1, 2, 3]. Estos cristales de TMD se pueden cultivar o exfoliar mecánicamente hasta obtener un grosor de monocapa, similar a la exfoliación del grafeno. Sin embargo, a diferencia del grafeno, los TMD monocapa consisten en más de un elemento, lo que hace que sus propiedades físicas sean más complejas que las del grafeno. Entre los TMD, MoS ₂ es el más estudiado, donde un plano Mo se intercala entre dos planos S, generalmente con una estructura 2H [4]. En contraste con estas estructuras hexagonales de alta simetría como MoS ₂ , otro tipo de TMD como ReS ₂ está atrayendo mucho interés, que muestra una estructura de 1T distorsionada [5]. Los átomos de S superior e inferior intercalan la capa media de átomos de Re con una estructura hexagonal que tiene un giro de Peierls adicional [5]. Esto se debe a que el átomo de renio posee un electrón de valencia adicional, lo que lleva a la formación de enlaces Re-Re adicionales en ReS ₂ (diagrama de estructura atómica de un MoS ₂ de una sola capa y ReS ₂ se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1.) La simetría reducida en ReS ₂ induce una anisotropía significativa en el plano y, por lo tanto, agrega un grado adicional de libertad, lo que hace que ReS ₂ un material interesante para la fabricación de FET y fotodetectores sensibles a la polarización [5, 6]. En este artículo, probamos las propiedades de polarización de una sola capa (abreviado como la notación SL) MoS ₂ y ReS ₂ escamas por mediciones de espectros de reflexión dependientes del ángulo en SiO ₂ / Sustratos de Si y Cuarzo. Nuestros resultados arrojarán luz sobre los nuevos efectos en esos materiales estratificados fuertemente anisotrópicos y pueden usarse empíricamente para identificar la orientación del cristal.

Materiales y métodos

El MoS ₂ y ReS ₂ se exfoliaron escamas con diferentes números de capas en este papel a partir de MoS ₂ a granel y ReS ₂ cristales por el método de escisión micromecánica y se prepararon sobre sustratos. La interacción entre muestras y sustratos fue diferente y se debe considerar la influencia de los sustratos en los resultados experimentales. Por lo tanto, seleccionamos dos tipos de sustratos:uno es el sustrato de Si {100} cubierto con un SiO ₂ de 89 nm. y el otro es el cristal de cuarzo con un espesor de 1 mm, para soportar MoS ₂ y ReS ₂ escamas (las imágenes microscópicas ópticas de SL MoS ₂ y SL ReS ₂ escamas soportadas en SiO ₂ / Sustrato de Si y soportado sobre sustrato de cuarzo se muestran en el archivo adicional 1:Figura S2.) Los dicalcogenuros SL tienen un espesor entre 0,6 y 0,7 nm que son extremadamente sensibles a la precisión de medición de los instrumentos de medición. Usamos espectroscopía Raman de frecuencia ultrabaja [7, 8] (los espectros Raman de frecuencia ultrabaja de SL MoS ₂ y SL ReS ₂ escamas soportadas en SiO ₂ / El sustrato de Si y el sustrato de cuarzo se muestran en el archivo adicional 1:Figura S3.) Y espectroscopía de fotoluminiscencia (PL) [8, 9] (los espectros de PL de SL MoS ₂ y SL ReS ₂ escamas soportadas en SiO ₂ / El sustrato de Si y el sustrato de cuarzo se muestran en el archivo adicional 1:Figura S4.) Para determinar con precisión el SL MoS ₂ y ReS ₂ copos.

Las mediciones del espectro de reflexión se realizaron en una geometría de retrodispersión utilizando un sistema micro-Raman Jobin-Yvon HR800. La lámpara halógena de tungsteno se utilizó como fuente de luz con un tamaño de punto inferior a 2 µm. Se utilizó el objetivo de × 100 (NA =0,9) para garantizar la precisión de las pruebas con un tamaño de muestra superior a 5 μm. La mejor señal de luz reflejada se logró enfocando el microscopio para obtener la máxima intensidad máxima. Los espectros de reflexión se midieron a partir de las muestras y los sustratos desnudos en el amplio rango de longitud de onda de 400 a 800 nm. Se utilizó la rejilla de 600 líneas por milímetro, lo que permite que cada píxel del CCD cubra 1 nm. Se colocó un polarizador en la trayectoria de la luz frente a la muestra. Al girar continuamente el polarizador de 0 a 360 °, las direcciones de polarización de la luz incidente y reflejada se variaron simultáneamente con ángulos de polarización de 0 a 360 °. Cuando se giró el polarizador en ángulo, los espectros de reflexión de la muestra (SL MoS ₂ o SL ReS ₂ ) y el sustrato (SiO ₂ / Si o cuarzo) se midieron una vez. Todos los espectros de reflexión de polarización se midieron bajo la condición de mantener inalterada la intensidad de la lámpara. Usamos R (sam + sub) y R (sub) para indicar respectivamente las intensidades de reflexión de las muestras y los sustratos desnudos y utilizó el método de contraste óptico para normalizar los datos mediante la fórmula de R _OC =1 - R (sam + sub) / R (sub) (el sustrato es SiO ₂ / Si) o R _OC = R (sam + sub) / R (sub) - 1 (el sustrato es cuarzo). En los siguientes estudios, los contrastes ópticos angulares dependientes de SL MoS ₂ y ReS ₂ en diferentes sustratos se demostraron respectivamente.

Resultados y discusión

SL MoS ₂ en SiO ₂ / Sustrato de Si

Primero medimos los espectros de reflexión de polarización de SL MoS ₂ compatible con SiO ₂ / Sustrato de Si mediante la rotación continua del polarizador de 0 a 360 °. El polarizador se hizo girar una vez cada 30 °. La figura 1a muestra la variación de los contrastes ópticos con ángulos de polarización de 0 a 180 °. Las curvas originales se superpusieron entre sí y las curvas procesadas se compensaron para mayor claridad. Hay dos picos a ~ 611 nm y ~ 658 nm debido a la emisión de excitones A y B [10, 11]. Los seleccionamos como referencias y mostramos sus intensidades con los ángulos de polarización de 0 a 360 ° en la Fig. 1 byc mediante círculos rosados y rojos, respectivamente. Las intensidades de dos picos básicamente no cambian, que es lo que deberíamos predecir ya que el SL MoS ₂ es hexagonalmente simétrico.

un Las curvas de contraste óptico de polarización de SL MoS ₂ escamas soportadas en SiO ₂ / Sustrato de Si. b La variación de intensidad a ~ 611 nm de 0 a 360 °. c La variación de intensidad a ~ 658 nm de 0 a 360 °

SL ReS ₂ en SiO ₂ / Sustrato de Si

Los espectros de reflexión de polarización de SL ReS ₂ compatible con SiO ₂ / El sustrato de Si se midió como sigue. Las curvas de contraste óptico de SL ReS ₂ las escamas con diferentes ángulos de polarización de 0 a 180 ° se muestran en la Fig. 2a y están desplazadas para mayor claridad. Hay un valle a ~ 457 nm y un pico a ~ 629 nm [12], lo que sugiere que SL ReS ₂ cristaliza en una estructura cristalina diferente de SL MoS ₂ . Las intensidades a ~ 457 nm y ~ 629 nm cambiaron a medida que cambiaba el ángulo de polarización. Tomándolos como referencias, mostramos sus intensidades con los ángulos de polarización de 0 a 360 ° en la Fig. 2 byc mediante círculos rosa y rojo, respectivamente. Ambas intensidades en dos posiciones muestran una dependencia de la polarización de los ángulos de polarización, que es resultado directo de la baja simetría del cristal en SL ReS ₂ . La distorsión en el plano de SL ReS ₂ Se espera que la celosía afecte profundamente el acoplamiento entre capas en ReS ₂ multicapa cristales porque se ha encontrado una dependencia de polarización similar en las curvas de contraste óptico de 2 L ReS ₂ apilados de forma anisotrópica escamas soportadas en SiO ₂ / Si sustrato [12] e incluso en los espectros Raman de frecuencia ultrabaja y espectros PL de 2 L ReS ₂ apilados de forma isotrópica copos [8].

un Las curvas de contraste óptico de polarización de SL ReS ₂ escamas soportadas en SiO ₂ / Sustrato de Si. b La variación de intensidad a ~ 457 nm de 0 a 360 °. c La variación de intensidad a ~ 629 nm de 0 a 360 °

Ajustamos la función de las intensidades a ~ 457 nm y ~ 629 nm como ángulos de polarización mediante una fórmula de Fourier de primer orden: f ( θ ) =A0 + a1 × cos ( θ × w ) + B1 × sin ( θ × w ), donde θ es el ángulo de polarización; a0, a1 y b1 son las amplitudes; y w es la frecuencia. Las posiciones de las intensidades mínima y máxima se leyeron como 20 ° y 110 °, respectivamente, tanto a ~ 457 nm como a ~ 629 nm. Las curvas ajustadas también se trazaron en la Fig. 2 byc con líneas azules. A ~ 457 nm, a0 =8.269, a1 =- 4.878, b1 =- 4.585 y w =0.0348 y ~ 629 nm, a0 =34.27, a1 =- 5.99, b1 =- 4.747 y w =0,03525. Tienen el período de cambio básicamente idéntico con los ángulos de polarización debido a la casi igual w . Debe derivarse de la estructura distorsionada en SL ReS ₂ .

SL MoS ₂ sobre sustrato de cuarzo

Porque SiO ₂ / El sustrato de Si es opaco, la luz incidente pasó a través de interfaces de aire / muestra y muestra / sustrato y finalmente fue absorbida por el sustrato. Mientras tanto, la luz reflejada se recogió de cada interfaz y finalmente se transmitió al aire. La interferencia óptica se produjo en las estructuras multicapa y las propiedades físicas del sustrato se incluyeron en las señales reflejadas de salida además de la muestra [12]. El SiO ₂ / El sustrato de Si era un sustrato polarizado, aunque usamos el método de contraste óptico para normalizar los datos mediante la fórmula de R _OC =1 - R (sam + sub) / R (sub). Para eliminar la perturbación de las propiedades polarizadas del sustrato, medimos los espectros de reflexión de polarización de SL MoS ₂ y ReS ₂ sobre el sustrato de cuarzo debido a la transparencia e isotropía del sustrato de cuarzo.

Dado que el sustrato de cuarzo es transparente, la plataforma de muestra debe colocarse suspendida para garantizar la transparencia durante la medición. La luz incidente pasó a través de interfaces de aire / muestra, muestra / sustrato y sustrato / aire y finalmente fue absorbida por el aire para evitar perturbar la recolección de la luz reflejada. Usamos la fórmula de R _OC = R (sam + sub) / R (sub) - 1 para normalizar los datos. La Figura 3 a muestra las curvas de contraste óptico polarizado de SL MoS ₂ escamas sobre el sustrato de cuarzo con diferentes ángulos de polarización de 0 a 180 °. Como puede verse, también hay dos picos relacionados con el excitón A y B a ~ 615 nm y ~ 665 nm, respectivamente. Su posición tiene algún cambio hacia una longitud de onda larga que la admitida en SiO ₂ / Sustrato de Si debido a efectos de interferencia sobre diferentes sustratos [11]. Trazamos sus intensidades con los ángulos de polarización en la Fig. 3 by c. Las intensidades de dos picos casi no cambian a medida que cambia el ángulo de polarización, lo que indica que las propiedades isotrópicas en el plano de SL MoS ₂ son inmutables cuando se unen a cualquier sustrato.

un Las curvas de contraste óptico de polarización de SL MoS ₂ escamas apoyadas sobre sustrato de cuarzo. b La variación de intensidad a ~ 615 nm de 0 a 360 °. c La variación de intensidad a ~ 665 nm de 0 a 360 °

SL ReS ₂ sobre sustrato de cuarzo

La Figura 4 a muestra las curvas de contraste óptico polarizado de SL ReS ₂ escamas en el sustrato de cuarzo, en el que hay dos valles a ~ 477 nm y ~ 641 nm, respectivamente. La diferencia de características entre el soporte sobre el sustrato de cuarzo y el soporte sobre SiO ₂ / El sustrato de Si también se debe a los efectos de interferencia en diferentes sustratos [11]. Las figuras 4 byc muestran las intensidades de dos valles con los ángulos de polarización. Ambos muestran dependencia de la polarización de los ángulos de polarización, lo que indica que SL ReS ₂ es anisotrópico en el plano independientemente de los sustratos. Ajustamos la relación de las intensidades a ~ 477 nm y ~ 641 nm con los ángulos de polarización mediante una fórmula de Fourier de primer orden: f ( θ ) =A0 + a1 × cos ( θ × w ) + B1 × sin ( θ × w ), donde a0 =0.3168, a1 =- 0.02215, b1 =- 0.0004139 y w =0.03422 a ~ 477 nm y a0 =0.2941, a1 =- 0.06608, b1 =- 0.005685 y w =0,0349 a ~ 641 nm. Las posiciones de las intensidades mínima y máxima se leyeron como 0 ° y 90 °, respectivamente, a ~ 477 nm y ~ 641 nm. Las curvas ajustadas también se trazaron en la Fig. 4 byc con líneas azules. El w es básicamente idéntico a ~ 477 nm y ~ 641 nm y casi igual al de ~ 457 nm y ~ 629 nm de SL ReS ₂ escamas soportadas en SiO ₂ / Sustrato de Si, lo que significa que las propiedades polarizadas en SL ReS ₂ las escamas exhiben una tendencia al cambio en la función sen o cos a medida que el ángulo de polarización cambia de 0 a 360 ° y el período es uniforme cuando se adhieren a cualquier sustrato.

un Las curvas de contraste óptico de polarización de SL ReS ₂ escamas apoyadas sobre sustrato de cuarzo. b La variación de intensidad a ~ 477 nm de 0 a 360 °. c La variación de intensidad a ~ 641 nm de 0 a 360 °

Conclusiones

En conclusión, SL MoS ₂ y ReS ₂ en SiO ₂ / Sustrato de Si y sobre sustrato de cuarzo se han estudiado mediante espectros de reflexión de polarización, que identifican una isotropía significativa en el plano en SL MoS ₂ debido a una estructura hexagonal y anisotropía en el plano en SL ReS ₂ debido a una estructura adicional distorsionada con una estructura hexagonal. Según las curvas de contraste óptico polarizado con los ángulos de polarización, hay algunos picos o valles dependientes de la longitud de onda en SL MoS ₂ y ReS ₂ predicho por diferentes estructuras cristalinas. La variación de intensidades en picos o valles con los ángulos de polarización confirma la existencia de diferentes propiedades dependientes del ángulo en SL MoS ₂ y ReS ₂ . Existen las mismas propiedades en algunos materiales SL 2D que tienen una estructura similar con MoS ₂ como WS ₂ , MoSe ₂ y WSe ₂ y tener una estructura similar con ReS ₂ como ReSe ₂ y WTe ₂ . Hay muchos otros materiales SL 2D que tienen otros tipos de estructuras de celosía asimétrica, como BP y SnSe, que tienen láminas de nido de abeja fuertemente dobladas con "canales" a lo largo de la y -eje. Estas muestras también pueden mostrar características anisotrópicas. Implica que pronto se podrán realizar y promover algunos nuevos dispositivos electrónicos dependientes de la polarización teniendo en cuenta la amplia variedad de muestras.

Disponibilidad de datos y materiales

El SL MoS ₂ y SL ReS ₂ se exfoliaron las escamas de MoS ₂ a granel y ReS ₂ cristales por el método de escisión micromecánica, preparados en dos tipos de sustratos:el sustrato de Si {100} cubierto con un SiO ₂ de 89 nm y el cristal de cuarzo con un espesor de 1 mm, e identificado por espectroscopía Raman de frecuencia ultrabaja y espectroscopía PL. Las mediciones de los espectros de reflexión se realizaron en una geometría de retrodispersión usando un sistema micro-Raman Jobin-Yvon HR800. La lámpara halógena de tungsteno se utilizó como fuente de luz. Se colocó un polarizador en la trayectoria de la luz frente a la muestra. Al girar continuamente el polarizador de 0 a 360 °, se midieron los espectros de reflexión de polarización de muestras y sustratos y se utilizó el método de contraste óptico para normalizar los datos.