Les propriétés de polarisation des spectres de réflexion des monocouches MoS2 et ReS2 sur substrats SiO2/Si et quartz

Introduction

Les progrès rapides de la recherche sur le graphène ont stimulé l'intérêt pour plusieurs autres types de matériaux en couches bidimensionnels. Récemment, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont attiré une attention considérable depuis l'observation de propriétés électroniques et optiques remarquables [1,2,3]. Ces cristaux de TMD peuvent être cultivés ou exfoliés mécaniquement jusqu'à une épaisseur de monocouche, similaire à l'exfoliation du graphène. Cependant, contrairement au graphène, les TMD monocouches sont constitués de plus d'un élément, ce qui rend leurs propriétés physiques plus complexes que le graphène. Parmi les TMD, MoS₂ est le plus largement étudié, où un plan Mo est pris en sandwich entre deux plans S généralement avec une structure 2H [4]. Contrairement à ces structures hexagonales à haute symétrie telles que MoS₂ , un autre type de TMD tel que ReS₂ suscite beaucoup d'intérêt, qui présente une structure 1T' déformée [5]. Les atomes S supérieur et inférieur prennent en sandwich la couche médiane d'atomes Re avec une structure hexagonale ayant une torsion de Peierls supplémentaire [5]. En effet, l'atome de rhénium possède un électron de valence supplémentaire, ce qui conduit à la formation de liaisons Re-Re supplémentaires dans ReS₂ (schéma de structure atomique d'un MoS monocouche₂ et ReS₂ est montré dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1.) La symétrie réduite dans ReS₂ induit une anisotropie dans le plan importante et ajoute donc un degré de liberté supplémentaire, ce qui rend ReS₂ un matériau intéressant pour la fabrication de FET et de photodétecteurs sensibles à la polarisation [5, 6]. Dans cet article, nous avons sondé les propriétés de polarisation du MoS₂ monocouche (abrégé par la notation SL) et ReS₂ flocons par mesures de spectres de réflexion dépendant de l'angle sur SiO₂ Substrats /Si et quartz. Nos résultats mettront en lumière les nouveaux effets de ces matériaux stratifiés fortement anisotropes et pourront être utilisés empiriquement pour identifier l'orientation des cristaux.

Matériaux et méthodes

Le MoS₂ et ReS₂ des flocons avec différents nombres de couches dans ce papier ont été exfoliés à partir de MoS en vrac₂ et ReS₂ cristaux par méthode de clivage micromécanique et ont été préparés sur des substrats. L'interaction entre les échantillons et les substrats était différente et l'influence des substrats sur les résultats expérimentaux doit être prise en compte. Ainsi, nous avons sélectionné deux types de substrats :l'un est le substrat Si {100} recouvert d'un 89 nm SiO₂ et l'autre est le cristal de quartz d'une épaisseur de 1 mm, pour supporter le MoS₂ et ReS₂ flocons (les images microscopiques optiques de SL MoS₂ et SL ReS₂ flocons pris en charge sur SiO₂ Le substrat /Si et supporté sur un substrat de quartz sont présentés dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2.) Les dichalcogénures SL ont une épaisseur comprise entre 0,6 et 0,7  nm qui sont extrêmement sensibles à la précision de mesure des instruments de mesure. Nous avons utilisé la spectroscopie Raman ultra-basse fréquence [7, 8] (les spectres Raman ultra-basse fréquence de SL MoS₂ et SL ReS₂ flocons pris en charge sur SiO₂ Le substrat /Si et supporté sur le substrat de quartz sont présentés dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S3.) et la spectroscopie de photoluminescence (PL) [8, 9] (les spectres PL de SL MoS₂ et SL ReS₂ flocons pris en charge sur SiO₂ Le substrat /Si et pris en charge sur le substrat de quartz sont indiqués dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S4.) pour déterminer avec précision le SL MoS₂ et ReS₂ flocons.

Les mesures du spectre de réflexion ont été effectuées dans une géométrie de rétrodiffusion en utilisant un système micro-Raman Jobin-Yvon HR800. La lampe halogène au tungstène a été utilisée comme source lumineuse avec une taille de spot inférieure à 2 µm. L'objectif de × 100 (NA = 0.9) a été utilisé pour assurer la précision des tests avec la taille des échantillons au-dessus de 5 μm. Le meilleur signal lumineux réfléchi a été obtenu en focalisant le microscope pour obtenir une intensité maximale maximale. Les spectres de réflexion ont été mesurés à partir des échantillons et des substrats nus dans la large gamme de longueurs d'onde de 400 à 800  nm. Le réseau de 600 lignes par millimètre a été utilisé, ce qui permet d'avoir chaque pixel CCD pour couvrir 1 nm. Un polariseur a été placé sur le trajet lumineux devant l'échantillon. En faisant tourner continuellement le polariseur de 0 à 360°, les directions de polarisation de la lumière incidente et réfléchie ont été modifiées simultanément avec des angles de polarisation de 0 à 360°. Lorsque le polariseur a été tourné d'un angle, les spectres de réflexion de l'échantillon (SL MoS₂ ou SL ReS₂ ) et le substrat (SiO₂ /Si ou quartz) ont été mesurés une fois. Tous les spectres de réflexion de polarisation ont été mesurés sous la condition de maintenir l'intensité de la lampe inchangée. Nous avons utilisé R (sam + sub) et R (sous) pour indiquer respectivement les intensités de réflexion des échantillons et des substrats nus et a utilisé la méthode du contraste optique pour normaliser les données par la formule de R _OC = 1 − R (sam + sub)/R (sub) (le substrat est SiO₂ /Si) ou R _OC = R (sam + sub)/R (sub) − 1 (le substrat est du quartz). Dans les études suivantes, les contrastes optiques dépendant de l'angle de SL MoS₂ et ReS₂ sur différents substrats ont été démontrés respectivement.

Résultats et discussion

SL MoS₂ sur SiO₂ /Substrat Si

Nous avons d'abord mesuré les spectres de réflexion de polarisation du SL MoS₂ pris en charge sur SiO₂ /Si substrat par rotation continue du polariseur de 0 à 360°. Le polariseur a été tourné une fois tous les 30°. La figure 1a montre la variation des contrastes optiques avec des angles de polarisation de 0 à 180°. Les courbes d'origine se chevauchaient et les courbes traitées étaient décalées pour plus de clarté. Il y a deux pics à ~ 611 nm et ~ 658 nm dus à l'émission d'excitons A et B [10, 11]. Nous les avons sélectionnés comme références et montré leurs intensités avec les angles de polarisation de 0 à 360° sur les Fig. 1 b et c par des cercles roses et rouges, respectivement. Les intensités de deux pics sont fondamentalement inchangées, ce que nous devrions prévoir depuis le SL MoS₂ est à symétrie hexagonale.

un Les courbes de contraste optique de polarisation du SL MoS₂ flocons pris en charge sur SiO₂ /Si substrat. b La variation d'intensité à ~ 611 nm de 0 à 360°. c La variation d'intensité à ~ 658 nm de 0 à 360°

SL ReS₂ sur SiO₂ /Substrat Si

Les spectres de réflexion de polarisation de SL ReS₂ pris en charge sur SiO₂ /Si substrat ont été mesurés comme suit. Les courbes de contraste optique du SL ReS₂ des flocons avec des angles de polarisation variant de 0 à 180° sont représentés sur la figure 2a et sont décalés pour plus de clarté. Il y a une vallée à ~ 457 nm et un pic à ~ 629 nm [12] suggérant que SL ReS₂ cristallise dans une structure cristalline différente de SL MoS₂ . Les intensités à ~ 457 nm et ~ 629 nm ont changé à mesure que l'angle de polarisation changeait. En les prenant comme références, nous avons montré leurs intensités avec les angles de polarisation de 0 à 360° sur les Fig. 2b et c par des cercles roses et rouges, respectivement. Les deux intensités à deux positions montrent une dépendance de la polarisation vis-à-vis des angles de polarisation, qui résulte directement de la faible symétrie cristalline dans SL ReS₂ . La distorsion dans le plan de SL ReS₂ le treillis devrait affecter profondément le couplage intercouche dans le multicouche ReS₂ cristaux parce que la dépendance de polarisation similaire a été trouvée dans les courbes de contraste optique de 2 L ReS₂ empilés de type anisotrope flocons pris en charge sur SiO₂ Substrat /Si [12] et même dans les spectres Raman ultra-basse fréquence et les spectres PL de 2 L ReS₂ empilés de type isotrope flocons [8].

un Les courbes de contraste optique de polarisation du SL ReS₂ flocons pris en charge sur SiO₂ /Si substrat. b La variation d'intensité à ~ 457 nm de 0 à 360°. c La variation d'intensité à ~ 629 nm de 0 à 360°

Nous avons ajusté la fonction des intensités à ~ 457 nm et ~ 629 nm comme angles de polarisation par une formule de Fourier du premier ordre :f (θ ) = a0 + a1 × cos(θ × w ) + b1 × sin(θ × w ), où θ est l'angle de polarisation; a0, a1 et b1 sont les amplitudes; et w est la fréquence. Les positions des intensités minimales et maximales ont été lues comme 20° et 110°, respectivement, à la fois à ~ 457 nm et ~ 629 nm. Les courbes ajustées ont également été tracées sur les figures 2 b et c avec des lignes bleues. À ~ 457 nm, a0 = 8,269, a1 = − 4,878, b1 = − 4,585 et w = 0,0348, et à ~ 629 nm, a0 = 34,27, a1 = − 5,99, b1 = − 4,747, et w = 0,03525. Ils ont la période de changement fondamentalement identique avec les angles de polarisation en raison du w presque égal . Il doit être dérivé de la structure déformée dans le SL ReS₂ .

SL MoS₂ sur substrat de quartz

Parce que SiO₂ Le substrat /Si est opaque, la lumière incidente a traversé les interfaces air/échantillon et échantillon/substrat et a finalement été absorbée par le substrat. Pendant ce temps, la lumière réfléchie a été collectée à partir de chaque interface et finalement transmise dans l'air. L'interférence optique s'est produite dans les structures multicouches et les propriétés physiques du substrat ont été incluses dans les signaux réfléchis sortants en plus de l'échantillon [12]. Le SiO₂ Le substrat /Si était un substrat polarisé bien que nous ayons utilisé la méthode du contraste optique pour normaliser les données par la formule de R _OC = 1 − R (sam + sub)/R (sous). Afin d'éliminer la perturbation des propriétés polarisées du substrat, nous avons ensuite mesuré les spectres de réflexion de polarisation de SL MoS₂ et ReS₂ sur le substrat de quartz en raison de la transparence et de l'isotropie du substrat de quartz.

Étant donné que le substrat de quartz est transparent, la platine de l'échantillon doit être suspendue pour assurer la transparence pendant la mesure. La lumière incidente a traversé les interfaces air/échantillon, échantillon/substrat et substrat/air et a finalement été absorbée par l'air pour éviter de perturber la collecte de la lumière réfléchie. Nous avons utilisé la formule de R _OC = R (sam + sub)/R (sub) − 1 pour normaliser les données. La figure 3a montre les courbes de contraste optique polarisées du SL MoS₂ flocon sur le substrat de quartz avec des angles de polarisation variant de 0 à 180°. Comme on peut le voir, il existe également deux pics liés aux excitons A et B à ~ 615 nm et ~ 665 nm, respectivement. Leur position a un certain décalage vers la grande longueur d'onde que celle prise en charge sur SiO₂ /Si substrat dû aux effets d'interférence sur différents substrats [11]. Nous avons tracé leurs intensités avec les angles de polarisation sur les Fig. 3 b et c. Les intensités de deux pics ne changent presque pas lorsque l'angle de polarisation change, ce qui indique que les propriétés isotropes dans le plan de SL MoS₂ sont immuables lorsqu'ils sont attachés à n'importe quel substrat.

un Les courbes de contraste optique de polarisation du SL MoS₂ éclats supportés sur substrat de quartz. b La variation d'intensité à ~ 615 nm de 0 à 360°. c La variation d'intensité à ~ 665 nm de 0 à 360°

SL ReS₂ sur substrat de quartz

La figure 4a montre les courbes de contraste optique polarisées de SL ReS₂ flocon sur le substrat de quartz, dans lequel il y a deux vallées à ~ 477 nm et ~ 641 nm, respectivement. La différence de caractéristiques entre pris en charge sur le substrat de quartz et pris en charge sur SiO₂ /Si substrat est également due à des effets d'interférence sur différents substrats [11]. Les figures 4 b et c montrent les intensités de deux vallées avec les angles de polarisation. Les deux montrent une dépendance de polarisation sur les angles de polarisation, ce qui indique que SL ReS₂ est anisotrope dans le plan quels que soient les substrats. Nous avons ajusté la relation des intensités à ~ 477 nm et ~ 641 nm avec les angles de polarisation par une formule de Fourier du premier ordre :f (θ ) = a0 + a1 × cos(θ × w ) + b1 × sin(θ × w ), où a0 = 0.3168, a1 = − 0.02215, b1 = − 0.0004139, et w = 0,03422 à ~ 477 nm et a0 = 0,2941, a1 = − 0,06608, b1 = − 0,005685 et w = 0,0349 à ~ 641 nm. Les positions des intensités minimales et maximales ont été lues comme 0° et 90°, respectivement, à la fois à ~ 477 nm et ~ 641 nm. Les courbes ajustées ont également été tracées sur les Fig. 4b et c avec des lignes bleues. Le w est fondamentalement identique à ~ 477 nm et ~ 641 nm et presque égal à celui à ~ 457 nm et ~ 629 nm de SL ReS₂ flocons pris en charge sur SiO₂ Substrat /Si, ce qui signifie que les propriétés polarisées dans SL ReS₂ les flocons présentent une tendance au changement de la fonction sin ou cos lorsque l'angle de polarisation passe de 0 à 360° et que la période est uniforme lorsqu'ils sont attachés à n'importe quel substrat.

un Les courbes de contraste optique de polarisation du SL ReS₂ éclats supportés sur substrat de quartz. b La variation d'intensité à ~ 477 nm de 0 à 360°. c La variation d'intensité à ~ 641 nm de 0 à 360°

Conclusions

En conclusion, SL MoS₂ et ReS₂ sur SiO₂ Le substrat /Si et sur le substrat de quartz ont été étudiés par des spectres de réflexion de polarisation, qui identifient une isotropie significative dans le plan dans SL MoS₂ en raison d'une structure hexagonale et d'une anisotropie dans le plan dans SL ReS₂ en raison d'une structure déformée supplémentaire avec une structure hexagonale. Selon les courbes de contraste optique polarisées avec les angles de polarisation, il existe des pics ou des vallées dépendant de la longueur d'onde dans SL MoS₂ et ReS₂ prédit par différentes structures cristallines. La variation des intensités aux pics ou aux vallées avec les angles de polarisation confirme l'existence de différentes propriétés dépendant de l'angle dans SL MoS₂ et ReS₂ . Les mêmes propriétés existent dans certains matériaux SL 2D ayant une structure similaire avec MoS₂ tels que WS₂ , MoSe₂ , et WSe₂ , et ayant une structure similaire avec ReS₂ tels que ReSe₂ et WTe₂ . Il existe de nombreux autres matériaux SL 2D qui ont d'autres types de structures en treillis asymétriques, tels que BP et SnSe, qui ont des feuilles en nid d'abeille fortement déformées avec des « auges » le long du y -axe. Ces échantillons peuvent également présenter des caractéristiques anisotropes. Cela implique que certains nouveaux dispositifs électroniques dépendants de la polarisation pourraient bientôt être réalisés et promus compte tenu de la grande variété d'échantillons.

Disponibilité des données et des matériaux

Le SL MoS₂ et SL ReS₂ les flocons ont été exfoliés à partir de MoS en vrac₂ et ReS₂ cristaux par méthode de clivage micromécanique, préparés sur deux types de substrats :le substrat Si {100} recouvert d'un SiO₂ 89 nm et le cristal de quartz d'une épaisseur de 1 mm, et identifié par spectroscopie Raman ultra-basse fréquence et spectroscopie PL. Les mesures des spectres de réflexion ont été effectuées dans une géométrie de rétrodiffusion en utilisant un système micro-Raman Jobin-Yvon HR800. La lampe halogène au tungstène a été utilisée comme source lumineuse. Un polariseur a été placé sur le trajet lumineux devant l'échantillon. En faisant tourner le polariseur en continu de 0 à 360°, les spectres de réflexion de polarisation des échantillons et des substrats ont été mesurés et la méthode de contraste optique a été utilisée pour normaliser les données.

Abréviations

PL :

Photoluminescence

SL :

Monocouche

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition