Identificação ótica rápida da formação de defeito em monocamada WSe2 para otimização do crescimento

Resumo

A epitaxia de baixo para cima tem sido amplamente aplicada para o crescimento de dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs). No entanto, esse método geralmente leva a uma alta densidade de defeitos no cristal, o que limita seu desempenho optoeletrônico. Aqui, mostramos o efeito da temperatura de crescimento na formação do defeito, desempenho óptico e estabilidade do cristal em monocamada WSe ₂ via combinação de estudo de espectroscopia Raman e fotoluminescência (PL). Descobrimos que a formação e distribuição de defeitos em monocamada WSe ₂ estão intimamente relacionados com a temperatura de crescimento. A densidade e distribuição desses defeitos podem ser controladas ajustando a temperatura de crescimento. Experimentos de envelhecimento demonstram diretamente que esses defeitos são um centro ativo para o processo de decomposição. Em vez disso, monocamada WSe ₂ cultivado em condições ideais mostra uma emissão forte e uniforme dominada por exciton neutro à temperatura ambiente. Os resultados fornecem uma abordagem eficaz para otimizar o crescimento de TMDCs.

Introdução

TMDCs ultrafinos (MX ₂ , M =Mo, W; X =Se, S, etc.) têm sido amplamente aplicados nos campos de aplicação fotônica e optoeletrônica, como fotodetectores [1,2,3,4], transistores ultrafinos [5, 6], dispositivos fotovoltaicos [7, 8], sensores [9, 10] e eletrocatálise [11]. Em comparação com o método de esfoliação mecânica, a deposição de vapor químico (CVD) mostra grandes vantagens na produção em massa, morfologia e controle de estrutura [12,13,14,15], que são altamente desejadas para desenvolvimento de materiais flexíveis em grandes áreas e aplicações de dispositivos optoeletrônicos [ 2, 16,17,18]. No entanto, a formação de defeitos de rede em materiais bidimensionais (2D) durante o crescimento CVD é prejudicial às suas propriedades fotoelétricas, desempenho do dispositivo e até mesmo a estabilidade do cristal. Por exemplo, a mobilidade do furo de WSe ₂ O transistor de efeito de campo fabricado usando monocamada cultivada em CVD está muito abaixo das previsões teóricas [19]. A distribuição de emissão de fotoluminescência (PL) não uniforme induzida pela formação de defeitos foi amplamente observada na monocamada de TMDCs crescidos [20,21,22,23,24]. Monocamada de TMDCs crescidos com CVD mostra estabilidade de rede pobre no ar [25]. A alta densidade de defeitos em materiais 2D cultivados com CVD limita significativamente o desempenho e a estabilidade do dispositivo, especialmente para dispositivos expostos ao ar por um longo tempo.

Os métodos mais diretos e eficazes para a detecção de defeitos em materiais 2D são a microscopia eletrônica de transmissão (TEM) [26] e a técnica de microscopia de tunelamento de varredura (STM) [27]. Mas esses métodos geralmente requerem transferência de amostra, o que pode causar novos defeitos. Além disso, esses métodos são demorados e detectam os defeitos apenas em uma pequena área. Para a otimização do crescimento, um método de avaliação rápido e não destrutivo é altamente exigido. A espectroscopia Raman é um método importante e não destrutivo para sondar a vibração da rede, a distorção da rede e as propriedades eletrônicas dos materiais [28, 29]. Por exemplo, o XeF ₂ defeitos induzidos por tratamento em WSe ₂ foram estudados comparando o E ¹ _2g intensidade de pico, o deslocamento de pico e a largura total na metade do máximo (FWHM) [30]. A espectroscopia PL mostra vantagens em determinar rapidamente as propriedades ópticas e detectar a estrutura eletrônica dos TMDCs sem causar danos. Portanto, é amplamente utilizado para estudar as propriedades ópticas de TMDCs [2, 31, 32]. Além disso, o PL é bastante sensível aos excitons, trions e defeitos em TMDCs de monocamada [33,34,35,36]. Rosenberger et al. mostram uma relação inversa entre a intensidade PL da monocamada WS ₂ e densidade do defeito [21]. Outras pesquisas mostram que o PL fraco é principalmente devido à formação de excitons carregados negativamente [37]. Portanto, a caracterização óptica oferece um método rápido e não destrutivo para avaliar os defeitos localizados e a qualidade do cristal de TMDCs.

O tempo de crescimento e a temperatura de crescimento são os dois parâmetros mais importantes que afetam o crescimento de materiais 2D. Esses efeitos sobre a duração do crescimento de WSe cultivado com CVD ₂ monocamada foram relatados antes [38]. Portanto, neste trabalho, tentamos focar na diferença de propriedades ópticas do WSe ₂ cultivadas em diferentes temperaturas e estudar as diferenças de estabilidade do cristal induzidas por defeitos. O desempenho óptico e a qualidade da rede são examinados usando técnicas confocal Raman e PL para otimização do crescimento. Os defeitos de cristal enfraquecem a intensidade de emissão de PL e levam a uma distribuição de emissão não uniforme no triângulo WSe ₂ domínio devido à diferença de densidade de defeito. Além disso, esses defeitos causam um pico de baixa emissão de energia no espectro de PL, conforme observado tanto em espectros de PL em temperatura ambiente quanto em baixa temperatura. Além do efeito negativo no desempenho óptico, os defeitos deterioram a estabilidade do cristal no ar, resultando em uma taxa de decomposição mais rápida de WSe ₂ . Com base nos resultados da caracterização óptica, descobrimos que existe uma temperatura de crescimento óptico para WSe ₂ . No nosso caso, essa temperatura é de 920 ° C. Reduzir ou aumentar a temperatura de crescimento afeta as propriedades ópticas e a estabilidade do cristal da monocamada WSe ₂ . Esses resultados fornecem uma abordagem para otimizarmos as propriedades ópticas e a estabilidade do cristal de materiais 2D [39].

Métodos

Síntese de WSe monocamada ₂

WSe monocamada ₂ foi sintetizado usando pó de Se de alta pureza (Alfa-Aesar 99,999%) e WO ₃ pó (Aladdin 99,99%) usando um forno de tubo de quartzo de 2 polegadas de diâmetro. Os pós de Se (30 mg) foram colocados em um barco de quartzo na primeira zona de aquecimento. WO ₃ pós (100 mg) foram colocados em um barco de quartzo na segunda zona de aquecimento. A distância entre o pó de Se e WO ₃ o pó tem cerca de 25 cm. c - substratos de safira plano (0001) foram limpos e colocados a jusante (5 ~ 10 cm) do WO ₃ fontes sólidas. Antes dos experimentos, a câmara foi bombeada cerca de 10 min e lavada com gás transportador Ar de alta pureza (99,9999%) sob um fluxo de 200 centímetros cúbicos de estado padrão por minuto (sccm) à temperatura ambiente para remover a contaminação por oxigênio. Depois disso, 10% H ₂ e uma mistura de gás Ar com um fluxo de 50 sccm foi introduzida no forno à pressão ambiente. A segunda zona de aquecimento foi aquecida até a temperatura alvo (860 ~ 940 ° C) a uma taxa de rampa de 20 ° C / min. Em seguida, a temperatura foi mantida na temperatura de crescimento por 6 min. Enquanto isso, a primeira zona de aquecimento foi mantida a 320 ° C. Após o crescimento, o forno foi resfriado à temperatura ambiente.

Caracterização

A morfologia de WSe ₂ conforme crescido foi examinado em microscopia óptica (NPLANEPi100X). O espalhamento Raman e as medições micro-PL foram realizados usando um sistema Renishaw (inVia Qontor). A excitação foi bombeada através de uma lente objetiva (× 100) com um laser verde (532 nm) e grade de 1800 linhas / mm. As medições do microscópio de força atômica (AFM) foram realizadas usando um sistema Agilent (Agilent 5500, Digital Instruments, modo de toque). As mudanças morfológicas da monocamada WSe ₂ foram examinados por microscopia eletrônica de varredura (SEM, TESCAN MIRA3 LMU).

Resultados e discussão

O efeito da temperatura de crescimento no WSe ₂ foi realizada durante a faixa de temperatura de 860 a 940 ° C. A análise estatística de imagens de microscopia óptica e desempenho PL indica que a temperatura ótima de crescimento é de 920 ° C, conforme demonstrado nas Fig. 1a, c. Além disso, a 920 ° C, o efeito do tempo de crescimento sobre os tamanhos e densidade de WSe cultivado com CVD ₂ flocos foi estudado. O tamanho do WSe ₂ os flocos aumentam gradualmente com o tempo (3-20 min), e os resultados obtidos são bastante semelhantes aos publicados antes [38]. Quando o tempo de crescimento é de 20 min, até mesmo um WSe ₂ em escala milimétrica o filme pode ser aumentado. Após a formação do filme, uma segunda camada é formada (mais imagens de microscopia óptica e estatísticas PL são mostradas no arquivo adicional 1:Figura S1-S3 nas informações de suporte (SI)). Abaixo de 920 ° C, uma alta densidade de WSe triangular ₂ domínio com tamanho uniforme é formado com um comprimento médio de borda de ~ 35 μm. A caracterização de AFM mostra uma espessura de ~ 0,9 nm (ver Fig. 1b). Além disso, o espalhamento Raman detecta os modos de vibração característicos (E ¹ _2g e A _1g ) de WSe ₂ estar em ~ 249,5 e ~ 260 cm ⁻¹ , respectivamente (ver Fig. 1d), que também foram observados em relatórios anteriores [38, 40]. Não B _2g (308 cm ⁻¹ ) modo que representa a vibração entre as diferentes camadas é detectado [30, 41]. Estes resultados indicam que o WSe ₂ conforme cresceu é monocamada. Reduzir ou aumentar a temperatura de crescimento leva a uma queda na densidade e no tamanho do WSe ₂ domínios. Em baixa temperatura de crescimento (860 ° C), a densidade de WSe ₂ é muito menor e o tamanho do grão é reduzido para ~ 5 μm. Melhorar a temperatura de crescimento para 920 ° C aumenta a densidade de nucleação e a velocidade de crescimento do cristal (ver Fig. 1c) [42]. O tamanho do domínio cai novamente conforme a temperatura excede 920 ° C, o que é provavelmente devido a uma maior velocidade de decomposição. Apesar da diferença de morfologia, o WSe crescido ₂ durante a faixa de temperatura investigada (860 a 940 ° C) são todos monocamada. A intensidade de emissão de fótons e a tendência de evolução do tamanho do domínio com a temperatura são bastante semelhantes, apresentando a intensidade de emissão de PL mais forte a 920 ° C (ver Fig. 1c). Esta diferença de intensidade de emissão sugere que, embora WSe monocamada ₂ podem ser obtidos em diferentes temperaturas de crescimento, no entanto, seu desempenho óptico varia drasticamente. A razão para esta diferença de emissão de PL pode ser revelada pelo espalhamento Raman também. A Figura 1d compara os espectros Raman de WSe ₂ em diferentes temperaturas de crescimento, de 860 a 940 ° C (mais estatísticas de espectroscopia Raman são mostradas no arquivo adicional 1:Figura S4). A ausência de B _2g modo indica que WSe ₂ é uma monocamada cultivada em diferentes temperaturas [30, 41]. O E ¹ _2g a frequência e a intensidade estão relacionadas ao nível de deformação e à qualidade do cristal [23, 43, 44], e o FWHM do pico Raman pode refletir a qualidade do cristal dos materiais 2D. O FWHM mais estreito indica uma qualidade de cristal superior dos materiais 2D [12]. Ambos os experimentos e cálculos teóricos demonstram que E ¹ _2g picos em torno de 249,5 cm ⁻¹ para WSe ₂ ideal cristal de monocamada [41, 45]. A Figura 1e mostra o E ¹ _2g frequência e intensidade em função da temperatura. O E ¹ _2g a frequência cai de 251,5 cm ⁻¹ até um mínimo de 249,5 cm ⁻¹ a 920 ° C antes de aumentar novamente durante a faixa de temperatura investigada, e o FWHM mostra uma tendência semelhante ao E ¹ _2g frequência (ver Fig. 1f). Além disso, o E ¹ _2g a intensidade de pico atinge uma intensidade máxima de 920 ° C. Considerando a maior intensidade de espalhamento Raman, o FWHM mais estreito, o pico Raman perfeitamente combinado (o E ¹ _2g pico é cerca de 249,5 cm ⁻¹ para WSe monocamada ideal ₂ ), e a intensidade de emissão PL mais forte, demonstramos que WSe monocamada ₂ cultivado a 920 ° C mostra a qualidade do cristal purista [12, 30].

A otimização do crescimento da monocamada WSe ₂ em substrato de safira. a Ótico e b as imagens AFM correspondentes da monocamada triangular WSe ₂ cultivado a 920 ° C. c O tamanho médio do domínio e a intensidade PL integrada. d Espectros Raman. e O E ¹ _2g frequência e intensidade junto com f FWHM de E ¹ _2g pico para WSe monocamada ₂ crescido de 860 ° C a 940 ° C. Todos os espectros Raman e PL foram retirados da região semelhante da monocamada de triângulo WSe ₂ , conforme indicado por um ponto vermelho em a

A uniformidade da intensidade de emissão do WSe crescido ₂ monocamada é examinada por mapeamento PL, em comparação com a Fig. 2, mostrando uma distribuição de intensidade de emissão dependente da temperatura. A emissão de fótons de WSe ₂ camada crescida a 920 ° C distribui uniformemente por toda a monocamada, exceto para a região central onde WO _3-x e WO _{3- x} Se _y são formados sob uma atmosfera deficiente em Se como um centro de nucleação para o WSe ₂ contínuo crescimento [46,47,48]. Os resultados da varredura da linha de intensidade PL inserida confirmam ainda mais a intensidade de emissão constante e a energia de emissão. No entanto, a intensidade de emissão de PL torna-se não homogênea para outras temperaturas de crescimento (ver Fig. 2d-f). Para temperaturas de crescimento mais baixas (900 ° C), a intensidade de emissão da região interna do triângulo côncavo é muito mais fraca do que aquelas próximas à borda do triângulo. De acordo com o WSe ₂ arranjo de átomos em um domínio de triângulo [49, 50], a emissão fraca é ao longo da direção da poltrona. Sob uma temperatura de crescimento mais alta (940 ° C, ver Fig. 2f), o mapa de intensidade PL apresenta outro padrão de intensidade. A intensidade PL mais forte ocorre na área central e diminui progressivamente até a borda do triângulo (veja mais exemplos no Arquivo Adicional 1:Figura S5). Esta diferença de emissão não pode ser observada por medições ópticas ou AFM. A emissão de PL em monocamada de cristal de TMDCs é geralmente não uniforme e foi observada algumas vezes em camadas cultivadas com CVD [21,22,23, 51,52,53] e esfoliadas mecanicamente [24, 54,55,56]. As principais causas de emissão não uniforme de PL incluem defeitos de rede (incluindo impurezas [56, 57] e vacâncias [27]), estados eletrônicos localizados [52, 58], deformação [43] e efeito de borda [22]. Em nosso experimento, nenhum recurso semelhante devido a estados eletrônicos localizados ou efeito de borda é observado. A deformação não deve ser o principal fator causador da distribuição da intensidade de PL devido aos seguintes motivos. Primeiro, para WSe ₂ cultivadas a 900 ° C, as regiões central e periférica são submetidas ao mesmo tratamento térmico; o nível de deformação resultante deve ser o mesmo [59]. Em segundo lugar, Kim et al. comparou o PL do WS ₂ antes e depois da transferência para a grade de cobre da microscopia eletrônica de transmissão (TEM), excluindo a possibilidade do substrato causar PL não uniforme e distribuição Raman [58]. Em terceiro lugar, o E ¹ _2g O modo é sensível à deformação e é usado para estimar o nível de deformação [44]. O E ¹ _2g pico do centro e região da borda em monocamada WSe ₂ o crescimento a 900 ° C é o mesmo (249 cm ⁻¹ ) sem qualquer sinal de deslocamento de pico (como mostrado na Fig. 3a), indicando uma distribuição de nível de deformação quase constante entre o substrato e WSe ₂ . De acordo com as discussões acima, especulamos que a emissão não homogênea é um reflexo da distribuição da densidade do defeito. A intensidade de emissão da região de emissão brilhante de amostras cultivadas em diferentes temperaturas é bastante semelhante, indicando uma qualidade de cristal semelhante nessas regiões, apesar da diferença de temperatura de crescimento.

Mapeamento integral PL (intervalo 725-785 nm) do WSe monocamada ₂ crescido sob diferentes temperaturas juntamente com as imagens ópticas correspondentes. a , d 900 ° C. b , e 920 ° C. c , f 940 ° C. A inserção em a é uma ilustração atômica do WSe ₂ camada mostrando a direção da poltrona. A potência de excitação para o mapeamento PL é 50 μW

a Espectros Raman obtidos da região central e da região da borda em níveis de potência do laser de excitação de 50 μW. Os espectros PL confirmam a existência de defeitos de cristal no WSe ₂ cultivado a 900 ° C. Espectros de temperatura ambiente PL do b center e c borda do WSe ₂ junto com espectros ajustados usando a equação voigt (50% Gaussiana, 50% Lorentziana). d Espectros PL de baixa temperatura (77 K) da posição central e a posição da borda mostrando um forte pico relacionado ao defeito da região central. O espectro PL em 77 K da região central é equipado com três picos

Os espectros de emissão Raman e PL do centro e borda da monocamada WSe ₂ cultivado a 900 ° C são comparados na Fig. 3. Os espectros de PL obtidos da posição central são deconvoluídos em três picos:exciton neutro em ~ 1,624 eV (marcado como A) [51, 52], trion em 1,60 eV (marcado como A ⁺ ) [29, 52], e um pico de emissão desconhecido (marcado como D) em torno de 1,53 eV (a base de ajuste detalhada é mostrada no arquivo Adicional 1:Figuras S6-S8). A Figura 3b mostra que a emissão de PL é dominada pelo A ⁺ na posição central. A energia de ligação para A ⁺ é estimado em cerca de 24 meV, que é a diferença de energia entre trions e exciton neutro [36]. Ele se encaixa perfeitamente com o valor de trion positivo na literatura [33, 35], onde o trion consiste em dois orifícios ( h ⁺ ) e um elétron ( e ^- ) De fato, estudos recentes revelam que WSe cultivado em CVD ₂ geralmente é do tipo p devido à formação de vacância de tungstênio [27]. Esses resultados são consistentes com as regras gerais de efeitos de dopagem em semicondutores. Durante os experimentos de PL dependentes de energia, a emissão de D satura rapidamente (ver arquivo adicional 1:Figura S7 no SI), sugerindo que a emissão desconhecida é realmente causada pelos defeitos da rede, conforme observado em outros relatórios [24, 33, 51, 52]. Em comparação, a emissão da borda não contém esse pico relacionado ao defeito. Em vez disso, o pico de emissão é muito mais estreito e forte, consistindo principalmente de um pico de exciton neutro com o pico de tríon como um ombro. Durante os experimentos de PL dependentes de energia, o FWHM de WSe ₂ no centro e na borda não muda com a potência, indicando que não há sinais de efeito de aquecimento local (ver arquivo adicional 1:Figura S8 no SI) [51, 60]. Este pico de emissão relacionado ao defeito torna-se mais óbvio em baixa temperatura (77 K), quando comparado na Fig. 3d. O espectro PL a 77 K da região central consiste em três picos de emissão. Por meio de cálculos, as energias de ligação da monocamada WSe ₂ para trion (A ⁺ ) e as emissões relacionadas ao defeito estão em torno de 24 meV e 100 meV, respectivamente, o que é consistente com nossos resultados de ajuste de PL à temperatura ambiente.

Estes resultados confirmam a existência do defeito do cristal no WSe ₂ cultivado com CVD monocamada. Esses defeitos são centros de recombinação não radioativa, diminuindo assim a eficiência de emissão de fótons [24, 61]. Além disso, a densidade do defeito é dependente da posição e da condição de crescimento, levando a diferentes padrões de distribuição de emissão na Fig. 2. Em condições de crescimento pobres, monocamada WSe ₂ ainda pode se formar. No entanto, uma grande proporção da área é altamente defeituosa e contém apenas uma pequena área com alta pureza de cristal. O espectro e o mapeamento PL fornecem um método rápido para avaliar a qualidade do cristal e orientar a otimização do crescimento. De acordo com a análise acima, a monocamada WSe ₂ o crescimento em temperatura de crescimento mais baixa mostra uma qualidade de cristal mais fraca, o que pode ser devido à reação insuficiente entre o WO _{3- x} e gás de Se [62, 63]. Melhorar a temperatura poderia, assim, superar a barreira da reação e formar WSe ₂ com alta qualidade de cristal (920 ° C). No entanto, manter o aumento da temperatura (940 ° C) pode levar à decomposição da monocamada formada WSe ₂ sob proteção insuficiente de gás de Se [64]. Assim, o mecanismo de formação de defeitos pode variar em diferentes temperaturas de crescimento, levando a diferentes padrões de distribuição de emissão. Descobrimos que a intensidade do PL da região interna do triângulo é a mais baixa. A diminuição da intensidade de PL sugere que os defeitos de cristal do WSe ₂ foram produzidos a partir do centro do triângulo, o que é consistente com relatórios anteriores [51]. Além disso, a probabilidade de distorção de rede ao longo da direção da poltrona (ver Fig. 2a) é maior para WSe monocamada ₂ a 900 ° C. Como o WSe ₂ crescido do centro do triângulo para as três arestas angulares do triângulo, a qualidade do cristal de WSe ₂ está ficando melhor.

A estabilidade do cristal é sempre um problema para o cristal TMDCs de monocamada, e a existência de defeitos no cristal geralmente torna esta situação ainda pior. Uma relação direta entre os defeitos do cristal e a decomposição de WSe ₂ é revelado na Fig. 4. Depois de manter as amostras medidas em condições de ar por mais 90 dias, a intensidade de emissão de PL para amostras crescidas abaixo de 900 ° C e 940 ° C são notavelmente diminuídas como esperado devido à rápida decomposição enquanto o padrão de distribuição de intensidade de emissão não muda drasticamente. Esta deterioração do cristal pode até ser observada usando microscopia óptica, como mostrado na Fig. 4d, e. A região decomposta combina perfeitamente com a região de baixa emissão de PL na Fig. 2d. Esta observação sugere que os defeitos formados no WSe ₂ atua como um centro para o processo de decomposição, reduzindo em grande parte a estabilidade do cristal no ar. Em contraste, WSe ₂ cultivado em temperatura ideal com a qualidade de cristal purista apresenta uma estabilidade de cristal muito melhor. A queda na intensidade da emissão não é óbvia e ainda mostra uma forte emissão de PL. No entanto, a intensidade de emissão torna-se não homogênea com emissão fraca no centro da borda do triângulo (veja mais exemplos no Arquivo Adicional 1:Figura S5). Isso sugere que o processo de decomposição ou deterioração do cristal em WSe ₂ de alta qualidade começa a partir do centro da borda do triângulo. Os espectros PL e Raman de WSe ₂ cultivados a 900 ° C antes e após 90 dias são comparados na Fig. 4f, g. O E ¹ _2g o modo de vibração da região central é desviado para o vermelho em ~ 3,7 cm ⁻¹ enquanto esta mudança é de apenas ~ 1,9 cm ⁻¹ na região da borda. Conforme discutido na Fig. 1, os resultados mostram que a qualidade do cristal se deteriora mais rapidamente na região com maior densidade de defeitos de rede. A existência de defeitos de rede diminuiria a barreira de energia para WSe ₂ decompor e acelerar o processo de decomposição. A região com maior densidade de defeito pode facilmente combinar-se com O e OH, deteriorando sua estabilidade de rede [25]. Este processo então se propaga gradualmente por todo o WSe ₂ monocamada . Este processo de evolução de rede combina perfeitamente com nossos processos de experimento de envelhecimento (ver Figs. 4e e 5). Consequentemente, WSe ₂ cultivado a 900 ° C começa a se decompor na região central. Em comparação, WSe ₂ cultivado a 920 ° C se decompõe mais lentamente devido a uma melhor qualidade de cristal. E a decomposição inicia a partir das regiões mais quimicamente ativas, como bordas e contornos de grão [65], como foi demonstrado na Fig. 4b.

A correlação direta entre a estabilidade do cristal e o defeito da rede de WSe ₂ . Mapeamento PL de WSe ₂ monocamada cultivada em a 900 ° C, b 920 ° C e c 940 ° C, respectivamente, após colocação no ar por 90 dias. Imagens ópticas de WSe ₂ cultivado a 900 ° C d antes e e após 90 dias. f Raman e g Comparação de espectros PL do centro e da borda do WSe ₂ amostra cultivada a 900 ° C antes e após 90 dias. A potência de excitação para medições PL é 50 μW

Imagens SEM de a nova monocamada WSe ₂ crescido a 900 ° C, colocando no ar por b 30 dias, c 90 dias e d 180 dias, respectivamente. A visão ampliada do centro e ângulo f em d . Todas as amostras foram armazenadas a 25 ° C. e , f Vistas ampliadas do centro e vértice da monocamada d , respectivamente

A emissão de PL na Fig. 4g mostra uma tendência semelhante. Em comparação com os dados medidos 90 dias antes, a posição do pico PL e a intensidade de emissão da região central são deslocadas para o azul em ~ 60 meV e diminuídas 7 vezes, respectivamente. Além disso, o FWHM é ampliado em ~ 17 meV. Em contraste, a posição do pico PL e FWHM da borda são quase as mesmas e a intensidade de emissão cai apenas para metade da intensidade medida 90 dias antes. Usando a mesma abordagem, descobrimos que o processo de deterioração do cristal em WSe monocamada ₂ cultivado a 940 ° C mostra o mesmo mecanismo:quanto maior a qualidade do cristal, mais lenta é a decomposição.

A fim de compreender melhor o processo de envelhecimento, a evolução da morfologia da monocamada WSe ₂ crescido a 900 ° C com o tempo é mostrado na Fig. 5. A região envelhecida começa no centro do triângulo (ver Fig. 5b). Conforme o tempo de envelhecimento aumenta, WSe ₂ decompõe-se gradualmente do centro ao vértice do triângulo, conforme mostrado na Fig. 5c. Após 180 dias, WSe ₂ no centro do triângulo e as três posições angulares foram substancialmente decompostas por completo. Neste momento, o PL no centro e no triângulo se extinguiu. O espalhamento Raman nestas áreas decompostas não mostra nenhum sinal do modo de vibração do WSe ₂ , confirmando a decomposição completa de WSe ₂ cristal. O estudo do envelhecimento de uma única camada de WSe ₂ crescido a 900 ° C demonstra ainda que a localização da decomposição concorda muito bem com nossos resultados de mapeamento PL medidos anteriormente. De acordo com as discussões acima, o fator crítico que afeta a estabilidade do WSe ₂ é a formação de defeito indesejado durante o crescimento do CVD. O espectro PL e Raman fornece uma abordagem fácil para examinar rapidamente a qualidade do cristal para orientar a otimização do crescimento em direção à camada 2D com a qualidade de cristal mais pura.

Conclusão

Em resumo, estudamos o papel da temperatura de crescimento na formação do defeito do cristal e na estabilidade do cristal da monocamada WSe ₂ em um substrato de safira. As técnicas de espectroscopia PL e Raman são aplicadas para identificar rapidamente a qualidade do cristal, estabilidade e distribuição de defeitos da monocamada WSe ₂ conforme crescido em diferentes condições. Através desta abordagem de caracterização, a temperatura de crescimento ideal para WSe monocamada ₂ é obtido a 920 ° C. Reduzir ou aumentar a temperatura de crescimento leva à formação de uma densidade de defeito mais alta. Em temperatura de crescimento mais baixa, a formação de defeito é provavelmente devido ao WO _{3- x decomposto não completamente} precursor. Os defeitos começam a se formar no centro do núcleo e seguem na direção da poltrona do cristal, formando uma forma triangular interna com alta densidade de defeitos e menor intensidade de emissão de PL. Acima da temperatura ideal de crescimento, a distribuição do defeito mostra outro padrão e começa na borda, provavelmente devido à decomposição de WSe ₂ em uma temperatura tão alta. A emissão de PL mostra que a emissão de fótons na região com defeito é dominada por trions, enquanto a emissão de excitons neutros é proeminente no WSe ₂ monocamada com melhor qualidade de cristal. O experimento de envelhecimento provou ainda que a região com uma densidade de defeito mais alta pode facilmente combinar com O e OH, deteriorando sua estabilidade de rede. Esses resultados oferecem insights sobre a síntese ideal de vários materiais 2D e as aplicações potenciais no campo da optoeletrônica.