Espectros de Reflexión Dependientes de Polarización en MoS₂ y ReS₂ Monocapa sobre SiO₂/Si y Cuarzo

Resumen

MoS₂ y ReS₂ son calcogenuros de metales de transición típicos con excelentes propiedades eléctricas y ópticas. Debido a diferentes simetrías de red, ReS₂ ofrece una dimensión más que MoS₂ para ajustar sus propiedades físicas. En este artículo, estudiamos los espectros de reflexión polarizados en MoS₂ y ReS₂ monocapa. La diferencia explícita identifica fuertes propiedades dependientes del ángulo en ReS₂ monocapa, distintas de MoS₂ monocapa. Los resultados en sustratos SiO₂/Si y cuarzo muestran que ReS₂ monocapa es anisotrópico en el plano y el período de cambio de intensidad de reflexión se estima con los ángulos de polarización.

Introducción

El rápido progreso de la investigación en grafeno ha estimulado interés en otros materiales bidimensionales en capas. Recientemente, los diclorogenuros de metales de transición (TMDs) han atraído considerable atención por la observación de notables propiedades electrónicas y ópticas [1–3]. Estos cristales TMD pueden crecerse o exfoliarse mecánicamente a espesor monocapa, similar a exfoliación grafeno. Sin embargo, a diferencia del grafeno, los TMDs monocapa consisten en más de un elemento, lo que hace sus propiedades físicas más complejas. Entre TMDs, MoS₂ es el más estudiado, donde un plano Mo está entre dos planos S usualmente con estructura 2H [4]. En contraste a estas estructuras hexagonales de alta simetría como MoS₂, otro tipo de TMDs como ReS₂ atrae mucho interés, exhibiendo estructura 1T' distorsionada [5]. Los átomos S superior e inferior encierran la capa media de átomos Re con estructura hexagonal con giro Peierls adicional [5]. Esto se debe a que el átomo de renio posee un electrón de valencia extra, llevando a formación de enlaces Re-Re adicionales en ReS₂ (diagrama estructura atómica monocapa MoS₂ y ReS₂ en Archivo Adicional 1: Figura S1). La simetría reducida en ReS₂ induce anisotropía significativa en el plano, añadiendo grado de libertad adicional, haciendo ReS₂ interesante para fabricación de FETs y fotodetectores sensibles a polarización [5, 6]. En este artículo, sondeamos propiedades de polarización de copos monocapa (abreviado SL) MoS₂ y ReS₂ mediante mediciones de espectros de reflexión angular-dependientes en sustratos SiO₂/Si y cuarzo. Nuestros resultados arrojarán luz sobre nuevos efectos en materiales en capas fuertemente anisotrópicos y pueden usarse empíricamente para identificar orientación cristalina.

Materiales y Métodos

Copos MoS₂ y ReS₂ con diferente número de capas exfoliados de cristales bulk MoS₂ y ReS₂ por método de exfoliación micromecánica y preparados en sustratos. La interacción entre muestras y sustratos difiere y la influencia de sustratos en resultados experimentales debe considerarse. Seleccionamos dos sustratos: Si {100} cubierto con 89 nm SiO₂ y cristal cuarzo 1 mm espesor, para soportar copos MoS₂ y ReS₂ (imágenes microscópicas ópticas SL MoS₂ y SL ReS₂ en SiO₂/Si y cuarzo en Archivo Adicional 1: Figura S2). Diclorogenuros SL tienen espesor 0,6–0,7 nm, extremadamente sensibles a precisión de instrumentos. Usamos espectroscopía Raman ultra-baja frecuencia [7, 8] (espectros Raman ultra-baja frecuencia SL MoS₂ y SL ReS₂ en SiO₂/Si y cuarzo en Archivo Adicional 1: Figura S3) y espectroscopía fotoluminiscencia (PL) [8, 9] (espectros PL SL MoS₂ y SL ReS₂ en SiO₂/Si y cuarzo en Archivo Adicional 1: Figura S4) para determinar exactamente copos SL MoS₂ y ReS₂.

Mediciones espectros reflexión realizadas en geometría retro-dispersión usando sistema micro-Raman Jobin-Yvon HR800. Lámpara halógena tungsteno como fuente luz, tamaño punto < 2 µm. Objetivo ×100 (NA = 0,9) para asegurar precisión pruebas con muestras > 5 µm. Mejor señal luz reflejada lograda enfocando microscopio para máxima intensidad pico. Espectros reflexión medidos de muestras y sustratos desnudos en rango 400–800 nm. Red 600 líneas/mm usada, cada píxel CCD cubre 1 nm. Polarizador colocado en camino luz frente a muestra. Rotando polarizador continuamente 0–360°, direcciones polarización luz incidente y reflejada variaron simultáneamente con ángulos polarización 0–360°. Al rotar polarizador a un ángulo, espectros reflexión muestra (SL MoS₂ o SL ReS₂) y sustrato (SiO₂/Si o cuarzo) medidos una vez. Todas mediciones espectros reflexión polarización bajo condición intensidad lámpara inalterada. Usamos R(sam+sub) y R(sub) para indicar intensidades reflexión muestras y sustratos desnudos, y método contraste óptico para normalizar datos: R_OC = 1 − R(sam+sub)/R(sub) (sustrato SiO₂/Si) o R_OC = R(sam+sub)/R(sub) − 1 (sustrato cuarzo). En estudios siguientes, contrastes ópticos angular-dependientes SL MoS₂ y ReS₂ en diferentes sustratos demostrados respectivamente.

Resultados y Discusión

SL MoS₂ en Sustrato SiO₂/Si

Primero medimos espectros reflexión polarización SL MoS₂ en SiO₂/Si rotando polarizador 0–360° cada 30°. Fig. 1a: variación contrastes ópticos con ángulos polarización 0–180°. Curvas originales se superponen; procesadas desplazadas para claridad. Dos picos ~611 nm y ~658 nm por emisión excitones A y B [10, 11]. Seleccionados como referencias, mostramos intensidades con ángulos polarización 0–360° en Fig. 1b, c (círculos rosa y rojo). Intensidades dos picos básicamente invariables, predecible ya que SL MoS₂ es simétrico hexagonal.

SL ReS₂ en Sustrato SiO₂/Si

Espectros reflexión polarización SL ReS₂ en SiO₂/Si medidos. Curvas contraste óptico copo SL ReS₂ con ángulos polarización 0–180° en Fig. 2a (desplazadas). Valle ~457 nm y pico ~629 nm [12] sugiriendo SL ReS₂ cristaliza en estructura cristalina diferente de SL MoS₂. Intensidades ~457 nm y ~629 nm cambiaron con ángulo polarización. Tomándolas como referencias, mostramos intensidades con ángulos 0–360° en Fig. 2b, c (círculos rosa y rojo). Ambas intensidades muestran dependencia polarización en ángulos, resultado directo de baja simetría cristalina SL ReS₂. Distorsión en plano red SL ReS₂ afecta profundamente acoplamiento intercapa en cristales ReS₂ multicapa porque dependencia polarización similar hallada en curvas contraste óptico copos 2L ReS₂ apilados anisotrópicamente en SiO₂/Si [12] e incluso en espectros Raman ultra-baja frecuencia y PL de copos 2L ReS₂ apilados isotropamente [8].

Ajustamos función intensidades ~457 nm y ~629 nm vs ángulos polarización por fórmula Fourier primer orden: f(θ) = a₀ + a₁×cos(θ×w) + b₁×sin(θ×w), donde θ ángulo polarización; a₀, a₁, b₁ amplitudes; w frecuencia. Posiciones intensidad mínima y máxima leídas 20° y 110° en ambos ~457 nm y ~629 nm. Curvas ajustadas también en Fig. 2b, c (líneas azules). ~457 nm: a₀=8,269, a₁=−4,878, b₁=−4,585, w=0,0348. ~629 nm: a₀=34,27, a₁=−5,99, b₁=−4,747, w=0,03525. Tienen período cambio básicamente idéntico por w casi igual. Debe derivarse de estructura distorsionada SL ReS₂.

SL MoS₂ en Sustrato Cuarzo

Sustrato SiO₂/Si opaco: luz incidente pasa interfaces aire/muestra y muestra/sustrato y finalmente absorbida por sustrato. Luz reflejada colectada de cada interfaz y transmitida al aire. Interferencia óptica en estructuras multicapa y propiedades físicas sustrato incluidas en señales reflejadas salientes además de muestra [12]. SiO₂/Si sustrato polarizado aunque usamos método contraste óptico normalizando R_OC = 1 − R(sam+sub)/R(sub). Para eliminar perturbación propiedades polarizadas sustrato, medimos espectros reflexión polarización SL MoS₂ y ReS₂ en sustrato cuarzo por transparencia e isotropía.

Sustrato cuarzo transparente: plato muestra debe colocarse suspendido para asegurar transparencia. Luz incidente pasa interfaces aire/muestra, muestra/sustrato, sustrato/aire y finalmente absorbida por aire para evitar perturbar recolección luz reflejada. Fórmula R_OC = R(sam+sub)/R(sub) − 1 para normalizar. Fig. 3a: curvas contraste óptico polarizado copo SL MoS₂ en cuarzo con ángulos 0–180°. Dos picos excitones A y B ~615 nm y ~665 nm. Posiciones desplazadas hacia longitud onda larga vs SiO₂/Si por efectos interferencia en diferentes sustratos [11]. Intensidades graficadas Fig. 3b, c. Intensidades dos picos casi no cambian con ángulo polarización, indicando propiedades isótropas en plano SL MoS₂ inmutables sea cual sea sustrato.

SL ReS₂ en Sustrato Cuarzo

Fig. 4a: curvas contraste óptico polarizado copo SL ReS₂ en cuarzo, dos valles ~477 nm y ~641 nm. Diferencia características entre sustratos también por efectos interferencia [11]. Fig. 4b, c: intensidades dos valles con ángulos polarización. Ambas muestran dependencia polarización, indicando SL ReS₂ anisotrópico en plano independientemente sustrato. Ajustamos relación intensidades ~477 nm y ~641 nm vs ángulos polarización por fórmula Fourier primer orden: f(θ) = a₀ + a₁×cos(θ×w) + b₁×sin(θ×w), donde a₀=0,3168, a₁=−0,02215, b₁=−0,0004139, w=0,03422 (~477 nm) y a₀=0,2941, a₁=−0,06608, b₁=−0,005685, w=0,0349 (~641 nm). Posiciones intensidad mínima y máxima leídas 0° y 90° en ambos ~477 nm y ~641 nm. Curvas ajustadas en Fig. 4b, c (líneas azules). w básicamente idéntico en ambos ~477 nm y ~641 nm e casi igual a ~457 nm y ~629 nm SL ReS₂ en SiO₂/Si, significando que propiedades polarizadas SL ReS₂ exhiben tendencia cambio en función sen/cos al variar ángulo polarización 0–360° y período uniforme sea cual sea sustrato.

Conclusiones

En conclusión, SL MoS₂ y ReS₂ en SiO₂/Si y cuarzo estudiados por espectros reflexión polarización, identificando isotropía significativa en plano SL MoS₂ por estructura hexagonal y anisotropía en plano SL ReS₂ por estructura distorsionada adicional con hexagonal. Según curvas contraste óptico polarizado con ángulos polarización, hay picos o valles dependientes longitud onda en SL MoS₂ y ReS₂ predichos por diferentes estructuras cristalinas. Variación intensidades en picos/valles con ángulos polarización confirma existencia diferentes propiedades dependientes ángulo en SL MoS₂ y ReS₂. Mismas propiedades existen en algunos materiales 2D SL con estructura similar MoS₂ (WS₂, MoSe₂, WSe₂) y similar ReS₂ (ReSe₂, WTe₂). Hay muchos otros materiales 2D SL con otros tipos estructuras asimétricas, como BP y SnSe, con hojas panal fuertemente abombadas con "canales" junto eje y. Estas muestras también podrían mostrar características anisotrópicas. Implica que nuevos dispositivos electrónicos dependientes polarización pronto puedan realizarse y promoverse considerando amplia variedad muestras.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Copos SL MoS₂ y SL ReS₂ exfoliados de cristales bulk MoS₂ y ReS₂ por exfoliación micromecánica, preparados en dos sustratos: Si {100} con 89 nm SiO₂ y cristal cuarzo 1 mm, identificados por espectroscopía Raman ultra-baja frecuencia y PL. Mediciones espectros reflexión en geometría retro-dispersión con sistema micro-Raman Jobin-Yvon HR800. Lámpara halógena tungsteno fuente luz. Polarizador en camino luz frente muestra. Rotando polarizador 0–360°, espectros reflexión polarización muestras y sustratos medidos y método contraste óptico usado para normalizar datos.

Abreviaturas

PL:

Fotoluminiscencia

SL:

Monocapa

TMDs:

Diclorogenuros de metales de transición