As propriedades de polarização dos espectros de reflexão de MoS2 e ReS2 de camada única em substratos de SiO2 / Si e quartzo

Resumo

MoS ₂ e ReS ₂ são calcogenetos de metais de transição típicos com muitas propriedades elétricas e ópticas excelentes. Devido a diferentes simetrias de rede, ReS ₂ oferece mais uma dimensão do que MoS ₂ para ajustar suas propriedades físicas. Neste artigo, estudamos os espectros de reflexão polarizada em MoS de camada única ₂ e ReS ₂ . A diferença explícita identifica fortes propriedades dependentes de ângulo em ReS de camada única ₂ distinto do MoS de camada única ₂ . Os resultados das amostras em ambos SiO ₂ Substrato / Si e substrato de quartzo mostram ReS de camada única ₂ é anisotrópico no plano e o período de mudança da intensidade de reflexão é estimado com os ângulos de polarização.

Introdução

O rápido progresso da pesquisa do grafeno estimulou o interesse em vários outros tipos de materiais bidimensionais em camadas. Recentemente, dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) têm atraído considerável atenção desde a observação de notáveis propriedades eletrônicas e ópticas [1,2,3]. Esses cristais de TMD podem ser cultivados ou esfoliados mecanicamente até a espessura de uma monocamada, semelhante à esfoliação do grafeno. No entanto, ao contrário do grafeno, os TMDs de monocamada consistem em mais de um elemento, o que torna suas propriedades físicas mais complexas do que o grafeno. Entre os TMDs, MoS ₂ é o mais extensivamente estudado, onde um plano de Mo é imprensado entre dois planos S geralmente com uma estrutura 2H [4]. Em contraste com essas estruturas hexagonais de alta simetria, como MoS ₂ , outro tipo de TMDs, como ReS ₂ está atraindo muito interesse, que exibe uma estrutura 1T 'distorcida [5]. Os átomos S superior e inferior ensanduicham a camada intermediária dos átomos Re com uma estrutura hexagonal tendo uma torção de Peierls adicional [5]. Isso ocorre porque o átomo de rênio possui um elétron de valência extra, levando à formação de ligações Re-Re adicionais em ReS ₂ (diagrama da estrutura atômica de um MoS de camada única ₂ e ReS ₂ é mostrado no arquivo adicional 1:Figura S1.) A simetria reduzida em ReS ₂ induz anisotropia no plano significativa e, portanto, adiciona um grau adicional de liberdade, o que torna ReS ₂ um material interessante para a fabricação de FETs e fotodetectores sensíveis à polarização [5, 6]. Neste artigo, investigamos as propriedades de polarização do MoS ₂ de camada única (abreviado como a notação SL) e ReS ₂ flocos por medições de espectros de reflexão dependentes de ângulo em SiO ₂ / Si e substratos de quartzo. Nossos resultados irão lançar luz sobre os novos efeitos nesses materiais em camadas fortemente anisotrópicas e podem ser usados empiricamente para identificar a orientação do cristal.

Materiais e métodos

O MoS ₂ e ReS ₂ flocos com diferentes números de camadas neste papel foram esfoliados do MoS a granel ₂ e ReS ₂ cristais pelo método de clivagem micromecânica e foram preparados sobre substratos. A interação entre amostras e substratos foi diferente e a influência dos substratos nos resultados experimentais deve ser considerada. Assim, selecionamos dois tipos de substratos:um é o substrato Si {100} coberto com um SiO ₂ de 89 nm e o outro é o cristal de quartzo com espessura de 1 mm, para suportar MoS ₂ e ReS ₂ flocos (as imagens microscópicas ópticas de SL MoS ₂ e SL ReS ₂ flocos com suporte em SiO ₂ / Si substrato e suportado em substrato de quartzo são mostrados no arquivo adicional 1:Figura S2.) Os dichalcogenetos SL têm uma espessura entre 0,6 e 0,7 nm que são extremamente sensíveis à precisão de medição de instrumentos de medição. Usamos espectroscopia Raman de frequência ultrabaixa [7, 8] (os espectros Raman de frequência ultrabaixa de SL MoS ₂ e SL ReS ₂ flocos com suporte em SiO ₂ / Si substrato e suportado em substrato de quartzo são mostrados no arquivo adicional 1:Figura S3.) E espectroscopia de fotoluminescência (PL) [8, 9] (os espectros PL de SL MoS ₂ e SL ReS ₂ flocos com suporte em SiO ₂ / Si substrato e apoiado em substrato de quartzo são mostrados no arquivo adicional 1:Figura S4.) Para determinar com precisão o SL MoS ₂ e ReS ₂ flocos.

As medições do espectro de reflexão foram realizadas em uma geometria de retroespalhamento usando um sistema micro-Raman Jobin-Yvon HR800. A lâmpada halógena de tungstênio foi usada como fonte de luz com o tamanho do ponto abaixo de 2 μm. O objetivo de × 100 (NA =0,9) foi utilizado para garantir a precisão dos testes com o tamanho das amostras acima de 5 μm. O melhor sinal de luz refletido foi obtido focalizando o microscópio para obter a intensidade máxima de pico. Os espectros de reflexão foram medidos a partir das amostras e substratos nus na ampla faixa de comprimento de onda de 400-800 nm. A grade de 600 linhas por milímetro foi usada, o que permite que cada pixel CCD cubra 1 nm. Um polarizador foi colocado no caminho da luz na frente da amostra. Girando continuamente o polarizador de 0 a 360 °, as direções de polarização da luz incidente e refletida foram simultaneamente variadas com ângulos de polarização de 0 a 360 °. Quando o polarizador foi girado em um ângulo, o espectro de reflexão da amostra (SL MoS ₂ ou SL ReS ₂ ) e o substrato (SiO ₂ / Si ou quartzo) foram medidos uma vez. Todos os espectros de reflexão de polarização foram medidos sob a condição de manter a intensidade da lâmpada inalterada. Usamos R (sam + sub) e R (sub) para indicar respectivamente as intensidades de reflexão de amostras e substratos nus e usar o método de contraste óptico para normalizar os dados pela fórmula de R _OC =1 - R (sam + sub) / R (sub) (o substrato é SiO ₂ / Si) ou R _OC = R (sam + sub) / R (sub) - 1 (o substrato é quartzo). Nos estudos a seguir, os contrastes ópticos dependentes de ângulo de SL MoS ₂ e ReS ₂ em diferentes substratos foram demonstrados, respectivamente.

Resultados e discussão

SL MoS ₂ no SiO ₂ Substrato / Si

Em primeiro lugar, medimos os espectros de reflexão de polarização de SL MoS ₂ compatível com SiO ₂ / Si substrato girando continuamente o polarizador de 0 a 360 °. O polarizador foi girado uma vez a cada 30 °. A Figura 1a mostra a variação dos contrastes ópticos com ângulos de polarização de 0 a 180 °. As curvas originais estavam sobrepostas umas às outras e as curvas processadas foram deslocadas para maior clareza. Existem dois picos em ~ 611 nm e ~ 658 nm devido à emissão de exciton A e B [10, 11]. Nós os selecionamos como referências e mostramos suas intensidades com os ângulos de polarização de 0 a 360 ° na Fig. 1 b e c pelos círculos rosa e vermelho, respectivamente. As intensidades de dois picos são basicamente inalteradas, o que devemos prever desde o SL MoS ₂ é hexagonalmente simétrico.

a As curvas de contraste óptico de polarização de SL MoS ₂ flocos com suporte em SiO ₂ Substrato / Si. b A variação de intensidade em ~ 611 nm de 0 a 360 °. c A variação de intensidade em ~ 658 nm de 0 a 360 °

SL ReS ₂ no SiO ₂ Substrato / Si

Os espectros de reflexão de polarização de SL ReS ₂ compatível com SiO ₂ / Si substrato foram medidos como se segue. As curvas de contraste óptico de SL ReS ₂ flocos com ângulos de polarização variados de 0 a 180 ° são mostrados na Fig. 2a e são deslocados para maior clareza. Há um vale em ~ 457 nm e um pico em ~ 629 nm [12] sugerindo que SL ReS ₂ cristaliza em uma estrutura cristalina diferente de SL MoS ₂ . As intensidades em ~ 457 nm e ~ 629 nm mudaram conforme o ângulo de polarização mudou. Tomando-os como referência, mostramos suas intensidades com os ângulos de polarização de 0 a 360 ° na Fig. 2 b e c pelos círculos rosa e vermelho, respectivamente. Ambas as intensidades em duas posições mostram dependência de polarização nos ângulos de polarização, que é resultado direto da baixa simetria do cristal em SL ReS ₂ . A distorção no plano de SL ReS ₂ espera-se que a rede afete profundamente o acoplamento intercamada em ReS multicamadas ₂ cristais porque a dependência de polarização semelhante foi encontrada nas curvas de contraste óptico de 2 L ReS empilhado tipo anisotrópico ₂ flocos com suporte em SiO ₂ / Si substrato [12] e até mesmo nos espectros Raman de frequência ultrabaixa e espectros PL de ReS de 2 L empilhado semelhante a isotrópico ₂ flocos [8].

a As curvas de contraste óptico de polarização de SL ReS ₂ flocos com suporte em SiO ₂ Substrato / Si. b A variação de intensidade em ~ 457 nm de 0 a 360 °. c A variação de intensidade em ~ 629 nm de 0 a 360 °

Ajustamos a função das intensidades em ~ 457 nm e ~ 629 nm como os ângulos de polarização por uma fórmula de Fourier de primeira ordem: f ( θ ) =A0 + a1 × cos ( θ × w ) + B1 × sin ( θ × w ), onde θ é o ângulo de polarização; a0, a1 e b1 são as amplitudes; e w é a frequência. As posições de intensidades mínimas e máximas foram lidas como 20 ° e 110 °, respectivamente, em ~ 457 nm e ~ 629 nm. As curvas ajustadas também foram plotadas na Fig. 2 bec com linhas azuis. Em ~ 457 nm, a0 =8,269, a1 =- 4,878, b1 =- 4,585, e w =0,0348, e em ~ 629 nm, a0 =34,27, a1 =- 5,99, b1 =- 4,747 e w =0,03525. Eles têm o período de mudança basicamente idêntico aos ângulos de polarização devido ao w quase igual . Deve ser derivado da estrutura distorcida no SL ReS ₂ .

SL MoS ₂ em substrato de quartzo

Porque SiO ₂ / Si substrato é opaco, a luz incidente passou pelas interfaces de ar / amostra e amostra / substrato e finalmente foi absorvida pelo substrato. Enquanto isso, a luz refletida foi coletada de cada interface e finalmente transmitida para o ar. A interferência óptica ocorreu nas estruturas multicamadas e as propriedades físicas do substrato foram incluídas nos sinais refletidos de saída, além da amostra [12]. O SiO ₂ / Si substrato era um substrato polarizado, embora tenhamos usado o método de contraste óptico para normalizar os dados pela fórmula de R _OC =1 - R (sam + sub) / R (sub). A fim de eliminar a perturbação das propriedades polarizadas do substrato, medimos então os espectros de reflexão de polarização de SL MoS ₂ e ReS ₂ no substrato de quartzo devido à transparência e isotropia do substrato de quartzo.

Uma vez que o substrato de quartzo é transparente, a plataforma de amostra deve ser colocada suspensa para garantir a transparência durante a medição. A luz incidente passou pelas interfaces de ar / amostra, amostra / substrato e substrato / ar e finalmente foi absorvida pelo ar para evitar perturbar a coleta de luz refletida. Usamos a fórmula de R _OC = R (sam + sub) / R (sub) - 1 para normalizar os dados. A Figura 3a mostra as curvas de contraste óptico polarizado de SL MoS ₂ flocos no substrato de quartzo com ângulos de polarização variados de 0 a 180 °. Como pode ser visto, há também dois picos relacionados ao exciton A e B em ~ 615 nm e ~ 665 nm, respectivamente. A posição deles muda para um comprimento de onda mais longo do que aquele suportado no SiO ₂ / Si substrato devido aos efeitos de interferência em diferentes substratos [11]. Traçamos suas intensidades com os ângulos de polarização nas Fig. 3 be c. As intensidades de dois picos quase não mudam conforme o ângulo de polarização muda, o que indica que as propriedades isotrópicas no plano de SL MoS ₂ são imutáveis quando estão fixados em qualquer substrato.

a As curvas de contraste óptico de polarização de SL MoS ₂ flocos apoiados em substrato de quartzo. b A variação de intensidade em ~ 615 nm de 0 a 360 °. c A variação de intensidade em ~ 665 nm de 0 a 360 °

SL ReS ₂ em substrato de quartzo

A Figura 4a mostra as curvas de contraste óptico polarizado de SL ReS ₂ floco no substrato de quartzo, no qual existem dois vales em ~ 477 nm e ~ 641 nm, respectivamente. A diferença de recursos entre o suporte no substrato de quartzo e o suporte no SiO ₂ / Si substrato também é devido aos efeitos de interferência em diferentes substratos [11]. As figuras 4 bec mostram as intensidades de dois vales com os ângulos de polarização. Ambos mostram dependência de polarização nos ângulos de polarização, o que indica que SL ReS ₂ é anisotrópico no plano, independentemente dos substratos. Ajustamos a relação das intensidades em ~ 477 nm e ~ 641 nm com os ângulos de polarização por uma fórmula de Fourier de primeira ordem: f ( θ ) =A0 + a1 × cos ( θ × w ) + B1 × sin ( θ × w ), onde a0 =0,3168, a1 =- 0,02215, b1 =- 0,0004139 e w =0,03422 a ~ 477 nm e a0 =0,2941, a1 =- 0,06608, b1 =- 0,005685 e w =0,0349 a ~ 641 nm. As posições de intensidade mínima e máxima foram lidas como 0 ° e 90 °, respectivamente, em ambos ~ 477 nm e ~ 641 nm. As curvas ajustadas também foram plotadas na Fig. 4 bec com linhas azuis. O w é basicamente idêntico em ~ 477 nm e ~ 641 nm e quase igual àquele em ~ 457 nm e ~ 629 nm de SL ReS ₂ flocos com suporte em SiO ₂ / Si substrato, o que significa que as propriedades polarizadas em SL ReS ₂ os flocos exibem uma tendência de mudança na função sen ou cos à medida que o ângulo de polarização muda de 0 a 360 ° e o período é uniforme quando eles estão ligados a quaisquer substratos.

a As curvas de contraste óptico de polarização de SL ReS ₂ flocos apoiados em substrato de quartzo. b A variação de intensidade em ~ 477 nm de 0 a 360 °. c A variação de intensidade em ~ 641 nm de 0 a 360 °

Conclusões

Em conclusão, SL MoS ₂ e ReS ₂ no SiO ₂ / Si substrato e no substrato de quartzo foram estudados por espectros de reflexão de polarização, que identificam uma isotropia no plano significativa em SL MoS ₂ devido a uma estrutura hexagonal e anisotropia no plano em SL ReS ₂ devido a uma estrutura distorcida adicional com uma estrutura hexagonal. De acordo com as curvas de contraste óptico polarizado com os ângulos de polarização, existem alguns picos ou vales dependentes do comprimento de onda em SL MoS ₂ e ReS ₂ previsto por diferentes estruturas cristalinas. A variação de intensidades em picos ou vales com os ângulos de polarização confirma a existência de diferentes propriedades dependentes do ângulo em SL MoS ₂ e ReS ₂ . As mesmas propriedades existem em alguns materiais SL 2D com uma estrutura semelhante com MoS ₂ como WS ₂ , MoSe ₂ , e WSe ₂ , e tendo uma estrutura semelhante com ReS ₂ como ReSe ₂ e WTe ₂ . Existem muitos outros materiais SL 2D que têm outros tipos de estruturas reticuladas assimétricas, como BP e SnSe, que têm folhas de favo de mel fortemente empenadas com "calhas" ao longo do y -eixo. Essas amostras também podem mostrar características anisotrópicas. Isso implica que alguns novos dispositivos eletrônicos dependentes de polarização podem ser realizados e promovidos em breve, considerando a ampla variedade de amostras.

Disponibilidade de dados e materiais

O SL MoS ₂ e SL ReS ₂ flocos foram esfoliados do MoS a granel ₂ e ReS ₂ cristais pelo método de clivagem micromecânica, preparados em dois tipos de substratos:o substrato de Si {100} coberto com um SiO de 89 nm ₂ e o cristal de quartzo com espessura de 1 mm, e identificado por espectroscopia Raman de ultra-baixa frequência e espectroscopia PL. As medições dos espectros de reflexão foram realizadas em uma geometria de retroespalhamento usando um sistema micro-Raman Jobin-Yvon HR800. A lâmpada halógena de tungstênio foi usada como fonte de luz. Um polarizador foi colocado no caminho da luz na frente da amostra. Girando continuamente o polarizador de 0 a 360 °, os espectros de reflexão de polarização de amostras e substratos foram medidos e o método de contraste óptico foi usado para normalizar os dados.