Propriétés de transmission du graphène intercalé FeCl3 et des couches minces WS2 pour les applications de spectroscopie de domaine temporel térahertz

Introduction

Le domaine de la spectroscopie à large bande dans le domaine temporel térahertz basée sur des lasers proche infrarouge femtoseconde est devenu un domaine de recherche actif en raison de son application prospective dans le contrôle non destructif [1], la biomédecine [2], les systèmes de sécurité, les communications à large bande [3] et d'autres [4]. Malgré les promesses d'applications et l'utilisation observée de la technologie dans les projets industriels et scientifiques, il existe toujours un manque marqué de matériaux efficaces pour la génération, la détection, le filtrage et la modulation du rayonnement THz. Les matériaux solides applicables aux systèmes de spectroscopie dans le domaine temporel THz (THz-TDS) peuvent être classés en plusieurs groupes :cristaux non linéaires et semi-conducteurs, cristaux organiques et métamatériaux, composites et matériaux 2D. Les matériaux 2D présentent une solution prometteuse en raison de leur taille compacte et de la possibilité supplémentaire de contrôler les propriétés en modifiant le nombre et la composition des couches, et le type de substrat.

Les matériaux stratifiés qui peuvent être exfoliés pour extraire des couches individuelles peuvent être principalement regroupés en trois classes [5] :le graphène et ses dérivés, les chalcogénures et les oxydes. Graphène [6–8], bisulfure de molybdène (MoS₂ ) [9, 10], séléniure de bismuth Bi₂ Se₃ [11], diséléniure de tungstène (WSe₂ ) [12], disulfure de tungstène (WS₂ ) [13] et différents dispositifs basés sur des hétérostructures en couches combinant plusieurs matériaux 2D individuels [14-16] ont déjà démontré des propriétés uniques et passionnantes dans les gammes de fréquences THz. Il convient de mentionner que, aux fins du THz-TDS, les matériaux qui sont stables à température ambiante sont plus appropriés, car de tels matériaux minimisent les exigences opérationnelles supplémentaires imposées à l'ensemble du système. Le graphène a été largement proposé pour différentes parties constitutives des systèmes THz-TDS, en particulier en tant que détecteurs [17], polariseurs [6], modulateurs [18, 19] et guides d'ondes [20] et en tant que milieu de génération d'harmoniques élevées [21, 22] . WS en couches₂ a également été démontré en tant que générateur THz [23, 24], en tant que modulateur basé sur des nanofeuillets individuels [25] ou des nanofeuilles multicouches exfoliées en liquide [13], et en outre en tant que modulateur accordé magnétiquement [26, 27].

En règle générale, les matériaux 2D sont transférés puis supportés sur un substrat. Comme la génération et la détection induites par laser sont utilisées dans les systèmes THz-TDS ; par conséquent, les propriétés d'un substrat doivent être étudiées dans les gammes THz infrarouge et large bande en plus des propriétés des matériaux 2D. Des matériaux de substrat avec une transparence élevée dans le proche infrarouge et les larges gammes de fréquences THz sont souhaitables. Des matériaux tels que le silicium, le polyéthylène haute densité, le polytétrafluoroéthylène (Teflon), le copolymère d'oléfine cyclique (Topas), le polyimide (Kapton), le polyéthylène téréphtalate (PET) et autres [28] sont généralement utilisés dans le THz-TDS car ils répondent aux exigences de transparence . Cependant, chaque substrat a une influence unique sur les propriétés d'un matériau 2D supporté dessus [29]. L'effet du substrat et du matériau 2D sur les propriétés globales d'un dispositif sont intrinsèquement couplés. En outre, la topographie spécifique de la région d'interface peut affecter de manière significative les propriétés. Par conséquent, lors de l'étude de nouvelles conformations de matériaux 2D en combinaison avec différents substrats, l'effet global doit être pris en compte.

Dans ce travail, nous démontrons les propriétés de transmission de structures uniques à base de graphène intercalées avec un FeCl₃ dopant [30] sur des substrats de film de verre, de saphir et de polyimide Kapton. Ce matériau n'a pas été étudié auparavant en relation avec les problèmes décrits ci-dessus dans les plages NIR et THz (0,1 – 2 THz). Nous montrons également les propriétés des WS₂ minces films fabriqués à partir de solutions de cristaux liquides (LC) transférés sur des substrats Kapton et PET dans les mêmes plages électromagnétiques. Le travail montre que l'introduction d'impuretés dopantes, la sélection des dimensions structurelles et l'utilisation d'un substrat approprié pour les matériaux stratifiés 2D permet de contrôler la transmission d'échantillons pour les gammes térahertz et proche infrarouge, qui peuvent ensuite être utilisés pour créer des modulateurs et des composants efficaces pour les futurs systèmes de spectroscopie THz.

Méthodes expérimentales

Fabrication d'échantillons

La figure 1a illustre les structures des différents échantillons en couches discutés dans cet article. Les échantillons à base de graphène (monocouche - SLG ; quelques couches - FLG, 5 à 6 couches atomiques ; et graphène multicouche - MLG, 50 à 60 couches atomiques) ont été synthétisés sur des catalyseurs métalliques (cuivre ou nickel) à l'aide d'une vapeur chimique. système de dépôt (CVD) et le méthane comme source de carbone. Les échantillons FLG et MLG ont ensuite été intercalés (donnant des échantillons notés i-FLG et i-MLG, respectivement) avec du chlorure ferrique (FeCl₃ ) vapeurs dans un système CVD, en utilisant un processus établi dans un four à trois zones [30–32]. Les échantillons intercalés ont été transférés sur des substrats de verre, de saphir et de kapton avec des épaisseurs de 1 mm, 0,8 mm et 0,125 mm, respectivement. Pour réaliser le transfert, le graphène intercalé a d'abord été recouvert de polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Le catalyseur métallique a ensuite été gravé à l'aide d'une solution concentrée de chlorure ferrique pour ne laisser que le graphène intercalé sur PMMA. Celui-ci a ensuite été transféré sur le substrat requis et le PMMA a été éliminé par dissolution dans de l'acétone. Les échantillons intercalés résultants ont été largement caractérisés dans des travaux antérieurs [30, 31, 33–42]. En particulier, la microscopie électronique à balayage à haute résolution d'échantillons intercalés est montrée dans [41]. D'autres images de microscopie électronique à balayage (MEB) et de microscopie à force atomique (AFM) des échantillons sont présentées dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1.

Structure des échantillons et montage expérimental. un Représentation de la structure des échantillons stratifiés 1 - FeCl₃ couches de graphène intercalées, 2 - WS₂ film fabriqué à partir d'une phase LC ; b La configuration du spectromètre de domaine temporel térahertz de laboratoire. L'impulsion fs est divisée par un séparateur de faisceau (BS) vers les faisceaux pompe et sonde. Le faisceau de pompage est modulé par un hacheur optique (OM), passe par la ligne à retard et est focalisé sur le cristal d'InAs dans l'aimant (M). Un filtre en Téflon (F1) est utilisé pour couper le faisceau de la pompe IR. Les impulsions THz générées sont focalisées sur l'échantillon (S) puis collimatées sur le cristal électro-optique (EOC) par un miroir parabolique hors axe (PM). La polarisation du faisceau sonde est fixée par un prisme de Glan (G). Le changement de polarisation est enregistré par une lame quart d'onde (λ /4), un prisme de Wollaston (W) et un photodétecteur équilibré (BPD). Un amplificateur de verrouillage (LA) et un ordinateur personnel (PC) sont utilisés pour le traitement du signal

WS₂ des films ont été fabriqués à partir de dispersions de disulfure de tungstène cristallin liquide. Les films des solutions de phase LC montrent une plus grande homogénéité que ceux fabriqués à partir de dispersions non LC [43-45]. Pour obtenir une dispersion de phase LC, une solution initiale de 500 ml a été préparée dans un bécher scellé. IPA a été utilisé comme solvant et en vrac WS₂ particules (Sigma-Aldrich 243639), avec des dimensions de l'ordre de quelques microns en moyenne sous forme de soluté à une concentration de 5 mg mL ⁻¹ . Pour décomposer le matériau, un processus d'ultrasons dans un bain à ultrasons (James Products 120 W High Power 2790 mL Ultrasonic Cleaner) rempli d'eau déminéralisée a été utilisé. Des périodes de cinq heures, séparées de 30 minutes chacune pour éviter un échauffement excessif du solvant, ont été utilisées pour assurer une exfoliation suffisante de l'échantillon. Les dispersions résultantes ont ensuite été soumises à un processus de centrifugation pendant 10 minutes à 2000 tr/min pour éliminer le matériau en vrac résiduel et réduire la distribution des tailles de particules présentes dans la solution. Après centrifugation, la solution a été fractionnée, avec seulement le surnageant extrait, pour s'assurer que seules des particules de taille appropriée sont restées. La solution résultante a ensuite été séchée sous vide (∼  0,1 atm) dans une ligne Schlenk pour éliminer complètement le solvant, avant d'être à nouveau redispersée dans de l'IPA à une concentration de 1, 5 et 100 mg mL ^-1 . Après redispersion, les solutions ont à nouveau été soumises à un ultrason (pendant quelques minutes) pour éviter que des particules exfoliées agrégées ne restent dans les solutions. Comme la concentration est modifiée de manière significative après l'étape de centrifugation, il est nécessaire de rétablir la concentration après cette étape. La redispersion permet une connaissance précise des concentrations des solutions sans affecter les propriétés des particules de matériau 2D dispersées. Les dispersions de disulfure de tungstène de toutes les concentrations ont montré une séparation des phases car la fraction volumique de la phase cristalline liquide était inférieure à 100 %.

Cette solution a ensuite été transférée sur des substrats Kapton et PET de 0,125 et 1 mm d'épaisseur, respectivement. Ces substrats ont été choisis en raison de leur faible absorption dans la région térahertz de 0,1 à 2,0 THz. Pour le transfert à Kapton, une méthode de coulée en gouttes a été utilisée avec le 100 mg mL ⁻¹ dispersion. Pour le premier échantillon (noté WS₂ S), 50 μ L de solution provenant de la fraction de phase non LC à concentration supérieure et inférieure a été coulée directement sur le substrat de Kapton et laissée à sécher. Pour le deuxième échantillon (WS₂ L), 50 μ L de solution provenant de la fraction de phase LC à concentration plus faible et plus élevée a été utilisé. Les échantillons coulés en goutte ont été séchés sur une plaque chauffante à 70 ^circ C pendant 5 min. Dans les deux cas, les tailles de particules individuelles ont été mesurées par microscopie à force atomique et microscopie électronique à balayage, avec des tailles moyennes déterminées à 2,5 μ m ² latéralement et épaisseur de 3,9 nm. La différence était l'épaisseur globale du film significativement plus élevée pour l'échantillon L par rapport à l'échantillon S, en raison de la plus grande concentration de disulfure de tungstène dans la fraction de phase cristal liquide. Pour le transfert sur PET, une méthode de transfert de film mince a été utilisée. Les 20 premiers ml de la solution cristalline liquide ont été filtrés à l'aide d'une fiole Büchner sous vide sur une membrane nanoporeuse en polytétrafluoroéthylène. Le film sur la membrane a ensuite été transféré sur le substrat en utilisant une méthode assistée par la chaleur et l'IPA. Le substrat a été légèrement humidifié avec de l'IPA tout en chauffant à 70 ^circ C sur une plaque chauffante. La membrane a été rapidement transférée sur le substrat, et lorsque l'IPA s'est évaporé à travers la membrane, le film mince de disulfure de tungstène a été libéré de la membrane et donc transféré au substrat après le retrait de la membrane. Deux échantillons ont été produits, l'un à partir du 1 mg mL ⁻¹ dispersion (WS₂ _LC) et l'autre du 5 mg mL ⁻¹ dispersion (WS₂ _HC). Encore une fois, les tailles individuelles moyennes des particules de disulfure de tungstène ont été déterminées comme étant de 2,5 μ m ² latéralement et épaisseur de 3,9 nm. Les épaisseurs globales du film ont été déterminées à environ 1 et 10 μ m respectivement. La figure 3 montre des images SEM et optiques du WS₂ échantillons. Dans les deux cas, l'uniformité de la couverture est perceptible. D'après l'analyse SEM, on peut voir que la majorité des particules sont bien alignées avec le substrat, bien que certaines particules (généralement plus petites) soient alignées perpendiculairement au substrat. Cet alignement général est attendu lors du dépôt de couches minces à partir de dispersions LC [43-46].

Spectroscopie Raman

Les mesures de spectroscopie Raman ont été effectuées à l'aide d'un spectromètre Raman (Renishaw) avec une lumière incidente polarisée linéairement à une longueur d'onde de 532 nm et une puissance approximative de 0,1 mW. Les spectres ont été collectés avec un temps d'accumulation de 10 s.

Spectroscopie visible et infrarouge

Les mesures de la transmission des échantillons de graphène intercalés et des films de disulfure de tungstène dans les gammes visible et proche infrarouge ont été effectuées à l'aide d'un spectrophotomètre de recherche (Evolution-300). Ce spectromètre permet de mesurer la transmittance dans la plage 190–1100 nm avec un écart type de 10 mesures < 0,05 nm et une précision photométrique de 1%.

Spectroscopie Terahertz

La transmission dans la gamme THz a été étudiée par un système de spectroscopie dans le domaine temporel THz de laboratoire [47, 48] qui est systématisé sur la figure 1b. Dans ce système, la génération de rayonnement THz est basée sur la rectification optique d'impulsions femtosecondes dans un cristal d'InAs situé dans un champ magnétique [49]. Le rayonnement laser femtoseconde d'un oscillateur fs à l'état solide dopé Yb (longueur d'onde centrale 1050 nm, durée 100 fs, énergie d'impulsion 70 nJ, taux de répétition 70 MHz) est divisé par un séparateur de faisceau (BS) vers les faisceaux pompe et sonde. Le faisceau de pompage, modulé par un hacheur optique, traverse une ligne à retard et est focalisé sur le cristal InAs du générateur THz placé dans l'aimant (M) avec un champ de 2,4 T. Un filtre en Téflon (F1) est utilisé pour couper le faisceau de la pompe IR. Le rayonnement THz (puissance moyenne estimée 30 μ W, FWHM ∼ 1,8 ps) est focalisé à incidence normale sur l'échantillon (S). L'impulsion THz transmise est collimatée par un cristal électro-optique (EOC) CdTe orienté [100] pour la détection EO par un miroir parabolique (PM) hors axe. La polarisation du faisceau de la sonde est fixée par un prisme de Glan (G) à 45 ^circ par rapport à la polarisation THz. Le faisceau sonde est également focalisé sur le même point du cristal de CdTe. La biréfringence dans le cristal de CdTe induite par le champ électrique de l'impulsion THz modifie la polarisation du faisceau sonde. Le changement de polarisation est mesuré à l'aide d'une lame quart d'onde (λ /4), un prisme de Wollaston (W) et un photodétecteur équilibré (BPD). Une technique d'amplification verrouillée (LA) est utilisée pour augmenter le rapport signal/bruit. Le signal amplifié est ensuite transféré à l'ordinateur via un convertisseur analogique-numérique.

Les mesures THz-TDS ont été effectuées plusieurs fois en différents points des échantillons et les valeurs moyennes ont été prises. La taille du faisceau dans cette configuration est d'environ 3 mm. La transmittance intégrale de la surface de l'échantillon a été mesurée. Les dépendances temporelles obtenues du champ électrique d'impulsion THz (formes d'onde) sans la présence d'échantillons, lors du passage à travers des substrats et lors du passage à travers des films sur des substrats ont été utilisées pour calculer les spectres de domaine de fréquence THz au moyen d'une analyse de Fourier. Les amplitudes transmises ont ensuite été comparées pour différents échantillons.

Résultats et discussions

La spectroscopie Raman peut être utilisée pour déterminer le nombre de couches, l'ordre dans lequel les couches sont posées, l'orientation, le dopage, la déformation et d'autres propriétés des matériaux bidimensionnels [50]. Des spectres Raman pour des échantillons à base de graphène sur verre (Fig. 2a) ont été prélevés et une analyse des principaux modes Raman caractéristiques (Fichier supplémentaire 1 :Tableau S1) a été réalisée. Comme le montre la figure 2a pour toutes sortes de graphène (SLG, FLG, MLG) sur verre, l'emplacement du G le pic varie légèrement entre 1582 et 1591 cm ⁻¹ . Alors que le 2D la position de pointe de la SLG par rapport à la MLG subit une augmentation significative de 41 cm ⁻¹ passer à la vitesse supérieure. Combiné avec les positions du G et 2D pics, le rapport d'intensité I _2D / Je _G est déterminé par le nombre de couches et la haute qualité des échantillons de graphène utilisés. Des pics supplémentaires sont observés pour SLG, FLG et i-FLG sur verre à environ 1100 cm ⁻¹ . En fait, ce comportement est dû à l'influence accrue du substrat de verre sur la structure plus mince et transparente de ces échantillons de graphène. Les spectres Raman pour les échantillons à base de graphène sur divers substrats sont présentés sur la figure 2b et analysés (Fichier supplémentaire 1 :Tableau S2). Graphène typique G et 2D des pics sont observés pour des échantillons multicouches sur Kapton (1579, 2721 cm ⁻¹ ) et verre (1582, 2721 cm ⁻¹ ) substrats, respectivement. L'influence du substrat provoque le déplacement des principales caractéristiques spectrales vers des nombres d'onde plus élevés [51, 52]. Pendant ce temps, le 2D pic (2703 cm ⁻¹ ) et fractionnement du G pic (1585, 1612, 1625 cm ⁻¹ ) ont été observés pour du graphène intercalé en quelques couches sur du saphir. Le mode vibrationnel supplémentaire de G le pic provient du transfert de charge de FeCl₃ au graphène, ce qui entraîne une augmentation du G -bande (Fig. 2c). Le décalage du G -bande à G 1 =1612 cm ⁻¹ est une signature d'une feuille de graphène avec un seul FeCl₃ adjacent couche, le passage à G 2 =1625 cm ⁻¹ caractérise une feuille de graphène prise en sandwich entre deux FeCl₃ couches, tandis que FeCl₃ distribué aléatoirement les dopants, les impuretés ou les charges de surface donnent lieu au G 0 pic avec un décalage Raman qui varie entre G en graphène vierge et G 1 [30, 53]. Le 2D le pic pour ces échantillons est de 18 cm ⁻¹ rétrogradé. De tels changements sont causés par le plus petit nombre de couches de graphène, leur structure et l'influence de l'intercalant. Le rapport d'intensité I _2D / Je _G pour les échantillons est égal à 0,8 (MLG sur Kapton et verre) et 1,4 (i-FLG sur saphir). Il n'y a aucune preuve du pic D pour tous les échantillons de graphène analysés, ce qui indique une qualité et une stabilité élevées du sp ² -arrangement de carbone hybridé. L'apparence faible du D un pic pour l'i-FLG sur le saphir (Fig. 2b) a pu être observé en raison de défauts structurels ou de bord survenant après l'intercalation. Ainsi, il n'y a pas d'influence significative du substrat sur les caractéristiques structurelles du graphène de nature différente.

Spectres Raman d'échantillons à base de graphène à l'étude. Spectres Raman des différents échantillons de graphène sur verre a et différents substrats b réalisée à l'aide d'un système d'excitation laser à 532 nm avec un objectif de microscope × 40 et un temps d'intégration de 10 s pour un seul balayage. c montre la division du G pic en 3 pics dans un échantillon i-FLG. Comme indiqué précédemment, le décalage Raman de G à G 0, G 1 et G 2 tiges pour une feuille de graphène avec FeCl₃ distribué aléatoirement molécules, un ou deux FeCl₃ adjacents couches comme le montre la structure cristalline schématique

Spectres Raman, photographies et images SEM de WS₂ échantillon à l'étude. un Spectre Raman de quelques couches WS₂ film sur silicium. b Photo du film drop cast de WS₂ sur Kapton. c –e Images SEM du film drop cast de WS₂ sur Kapton à des grossissements de c ×2000, d ×8000 et e ×40000

La figure 3a illustre le spectre Raman pour un film de disulfure de tungstène transféré de l'état LC à un substrat de silicium sur isolant. Les pics typiques spécifiques au WS₂ cristallin E _2g et A _1g peut être vu dans le spectre. En utilisant la cartographie Raman pour les couches minces, une grande homogénéité du signal Raman a été observée sur de vastes zones.

Les spectres de transmission dans les gammes visible-proche infrarouge du graphène et du WS₂ des échantillons sont représentés sur les figures 4a et b, respectivement. Les informations expérimentales obtenues représentent la transmittance intégrale des échantillons. Les pertes par diffusion provoquées par la rugosité de surface ne sont pas évaluées séparément; seule la contribution globale de l'échantillon au rayonnement transmis est prise en considération. L'intercalation du graphène conduit à une augmentation de la transmission de l'échantillon dans la gamme 700-1100 nm. L'augmentation peut être expliquée par un blocage de Pauli dû au remplissage des bandes [54, 55]. Par exemple, à une longueur d'onde de 1000 nm, la transmittance du graphène à quelques couches intercalées (i-FLG) sur le verre est augmentée de 10 %. Ce fait doit être pris en compte lors de l'utilisation de composants basés sur du graphène intercalé dans les systèmes THz-TDS, où ils interagissent avec les rayonnements THz et IR.

Transmission des échantillons dans les gammes visible et IR. un Transmission de différentes quantités de couches de graphène sur des substrats de verre et de Kapton dans la gamme UV-NIR (SLG, MLG, i-MLG). b Transmission de WS₂ film fabriqué à partir de solutions de phase LC de différentes concentrations. WS₂ _L'échantillon LC a été produit à partir d'un 1 mg mL ⁻¹ solution et WS₂ _HC à partir d'un 5 mg mL ⁻¹ solution

Faire varier les dimensions de la structure, notamment l'épaisseur du film, de 1 à 10 μ m pour WS₂ Les films minces à base de LC sur polyéthylène téréphtalate (PET) provoquent un changement de la transmission dans la plage de 400 à 1100 nm jusqu'à 35%. Ceci est attendu en raison de la densité optique globale plus élevée du film plus épais produit à partir de la solution à concentration plus élevée.

Spectres de transmission du rayonnement THz à large bande (0,2–1 THz) via intrinsèque et FeCl₃ des échantillons intercalés à base de graphène sur des substrats de Kapton sont présentés sur la figure 5a. Dans ce cas, les spectres de transmission relatifs à l'air sont présentés. En augmentant le nombre de couches, on peut observer une diminution de la transmission de l'échantillon pour tous les substrats à l'étude. Cette dépendance de la transmission en fonction du nombre de couches est linéaire à la fois pour différentes fréquences et différents substrats (Fig. 5b) comme cela a été montré précédemment [37, 56]. Ce résultat montre que pour le graphène pur, l'augmentation du nombre de couches ne modifie pas le coefficient d'absorption du matériau dans la gamme de fréquences THz (0,1 à 1 THz). Pour trouver l'influence de FeCl₃ intercalation, on observe la transmission par rapport au substrat. La figure 5c montre la transmission de quelques couches de graphène intercalé (i-FLG) sur des substrats de verre, de saphir et de Kapton. L'influence de l'intercalation et du type de substrat peut être observée dans la plage de 0,4 à 0,8 THz. Elle est démontrée en éclairement relatif (pour le cas du polyimide jusqu'à 30%) et en augmentation de l'absorption (pour le cas du substrat en saphir jusqu'à 30%). Il est fort probable que ces changements soient dus à la diffusion par le graphène FeCl₃ structure intercalée. Dans ce cas, le substrat affecte la structure des couches de matériau transférées et, par conséquent, le rayonnement THz à différentes fréquences est diffusé de différentes manières.

L'étude expérimentale d'échantillons de graphène modifié par spectroscopie THz dans le domaine temporel. un Spectres de transmission du graphène en couches dans différentes modifications (SLG, graphène monocouche, graphène à quelques couches FLG, graphène multicouche MLG, i-FLG et i-MLG FeCl₃ intercalé) sur substrat polyimide Kapton. b La transmission en fonction de la quantité de couche de graphène pour des fréquences de 0,5 et 0,7 THz sur des substrats en Kapton et en verre. c Transmission de graphène en couches par rapport à différents substrats

WS₂ sur substrat Kapton, montré pour différentes épaisseurs de film comme décrit dans les méthodes expérimentales, est assez transparent dans la gamme THz (Fig. 6). La transmission peut être modifiée en choisissant une concentration appropriée de la solution LC qui est ensuite transférée sur le substrat, et donc en contrôlant l'épaisseur du film coulé par goutte. La transparence dans la gamme THz est très utile pour les applications de génération, de détection et de modulation pour les appareils THz. Il a été montré [46] que pour le domaine visible, ce type de dispersions LC de disulfure de tungstène exfolié en phase liquide peut démontrer un dichroïsme accordé magnétiquement dans la phase liquide. L'influence de la partie magnétique du champ électromagnétique dans la plage THz est plus perceptible que dans la plage visible, on peut donc prédire que l'influence du champ magnétique THz dans de tels matériaux peut être élucidée. On peut supposer qu'avec l'aide de WS₂ , il sera possible de contrôler le champ magnétique de l'impulsion THz, comme cela a été montré dans le concept de dispositifs oscillateurs THz entraînés par un courant de spin [57]. De tels échantillons pourraient également être utilisés comme modulateurs accordés magnétiquement dans les systèmes THz-TDS.

Transmission de WS₂ échantillons dans la gamme de fréquences THz. Spectres de WS₂ films sur substrats Kapton, produits à partir d'une fraction non LC à faible concentration (WS₂ S) et de la phase LC, fraction à haute concentration (WS₂ L)

Conclusions

En résumé, les propriétés de transmission des matériaux stratifiés 2D à base de graphène et de disulfure de tungstène dans les gammes proche infrarouge et térahertz sont démontrées. Structures uniques à base de graphène intercalées avec un FeCl₃ dopant sur des substrats de verre, de saphir et de polyimide de Kapton ainsi que de minces WS₂ un film fabriqué à partir de solutions de cristaux liquides transférées sur un Kapton et des substrats PET ont été observés. L'introduction d'impuretés, l'intercalation, la sélection des dimensions structurelles et l'utilisation d'un substrat approprié pour les matériaux stratifiés 2D modifiés permettent de contrôler la transmission des échantillons pour les gammes térahertz et infrarouge, qui peuvent être utilisées pour la création de modulateurs efficaces et composants pour systèmes de spectroscopie THz. Ce travail représente des résultats axés sur les applications pour des études futures, qui se concentreront sur de nouveaux dispositifs pour les systèmes de spectroscopie dans le domaine temporel térahertz.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

EO :

Electro-optique

FLG :

Quelques couches de graphène

i-FLG :

Graphène intercalé à quelques couches

i-MLG :

Graphène multicouche intercalé

i-SLG :

Graphène monocouche intercalé

IPA :

Isopropanol

LC :

Cristaux liquides

MLG :

Graphène multicouche

PET :

Polyéthylène téréphtalate

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

SEM :

Microscopie électronique à balayage

SLG :

Graphène monocouche

THz-TDS :

Spectroscopie temporelle térahertz