Spectres de réflexion dépendants de la polarisation de MoS₂ et ReS₂ monocouches sur SiO₂/Si et quartz

Résumé

MoS₂ et ReS₂ sont des dichalcogénures de métaux de transition typiques avec d'excellentes propriétés électriques et optiques. En raison de différentes symétries de réseau, ReS₂ offre une dimension de plus que MoS₂ pour régler ses propriétés physiques. Dans cet article, nous avons étudié les spectres de réflexion polarisés dans le MoS₂ et ReS₂ monocouches. La différence explicite identifie de fortes propriétés dépendantes de l'angle dans le ReS₂ monocouche distinctes du MoS₂ monocouche. Les résultats des échantillons sur les deux substrats SiO₂/Si et quartz montrent que le ReS₂ monocouche est anisotrope dans le plan et la période de changement de l'intensité de réflexion est estimée avec les angles de polarisation.

Introduction

Le progrès rapide de la recherche sur le graphène a stimulé l'intérêt pour plusieurs autres types de matériaux bidimensionnels en couches. Récemment, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont attiré une attention considérable depuis l'observation de propriétés électroniques et optiques remarquables. Ces cristaux TMD peuvent être cultivés ou exfoliés mécaniquement à une épaisseur de monocouche, similaire à l'exfoliation du graphène. Cependant, en contraste avec le graphène, les TMD monocouches consistent en 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 de Mo est pris en sandwich entre deux plans de S généralement avec une structure 2H. En contraste avec ces structures hexagonales à haute symétrie telles que MoS₂, un autre type de TMD tel que ReS₂ attire beaucoup d'intérêt, qui exhibe une structure 1T' distordue. Les atomes de S supérieurs et inférieurs prennent en sandwich la couche centrale d'atomes de Re avec une structure hexagonale ayant un twist de Peierls additionnel. C'est parce que l'atome de rhénium possède un électron de valence supplémentaire, menant à la formation de liaisons Re-Re additionnelles dans ReS₂ (le diagramme de structure atomique d'une monocouche de MoS₂ et ReS₂ est montré dans le Fichier additionnel 1 : Figure S1). La symétrie réduite dans ReS₂ induit une anisotropie dans le plan significative et ajoute donc un degré de liberté additionnel, ce qui fait de ReS₂ un matériau intéressant pour la fabrication de FET et de photodétecteurs sensibles à la polarisation. Dans cet article, nous avons sondé les propriétés de polarisation des flocons monocouches (abréviés comme notation SL) de MoS₂ et ReS₂ par des mesures de spectres de réflexion angulaire-dépendants sur substrats SiO₂/Si et quartz. Nos résultats jetteront de la lumière sur les nouveaux effets dans ces matériaux en couches fortement anisotropes et peuvent être utilisés empiriquement pour identifier l'orientation cristalline.

Matériaux et méthodes

Les flocons de MoS₂ et ReS₂ avec différents nombres de couches dans cet article ont été exfoliés à partir de cristaux massifs de MoS₂ et ReS₂ par la 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 devait être considérée. Ainsi, nous avons sélectionné deux types de substrats : l'un est le substrat Si {100} recouvert d'un SiO₂ de 89 nm et l'autre est le cristal de quartz avec une épaisseur de 1 mm, pour supporter les flocons de MoS₂ et ReS₂ (les images microscopiques optiques des flocons SL MoS₂ et SL ReS₂ supportés sur substrat SiO₂/Si et supportés sur substrat quartz sont montrées dans le Fichier additionnel 1 : Figure S2). Les dichalcogénures SL ont une épaisseur 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 à ultra-basse fréquence (la spectroscopie Raman à ultra-basse fréquence des flocons SL MoS₂ et SL ReS₂ supportés sur substrat SiO₂/Si et supportés sur substrat quartz sont montrées dans le Fichier additionnel 1 : Figure S3) et la spectroscopie de photoluminescence (PL) (les spectres PL des flocons SL MoS₂ et SL ReS₂ supportés sur substrat SiO₂/Si et supportés sur substrat quartz sont montrés dans le Fichier additionnel 1 : Figure S4) pour déterminer avec précision les flocons SL MoS₂ et ReS₂.

Les mesures de spectre de réflexion ont été effectuées dans une géométrie de rétrodiffusion en utilisant un système micro-Raman Jobin-Yvon HR800. Une lampe halogène tungstène a été utilisée comme source lumineuse avec une taille de spot en dessous de 2 µm. L'objectif ×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 de lumière réfléchie a été atteint en focalisant le microscope pour obtenir l'intensité de pic maximale. Les spectres de réflexion ont été mesurés à partir des échantillons et substrats nus dans la large gamme de longueur d'onde de 400-800 nm. Le réseau de 600 lignes par millimètre a été utilisé, ce qui permet à chaque pixel CCD de couvrir 1 nm. Un polariseur a été placé sur le chemin 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 simultanément variées avec les angles de polarisation de 0 à 360°. Lorsque le polariseur était tourné à un angle, les spectres de réflexion de l'échantillon (SL MoS₂ ou SL ReS₂) et du substrat (SiO₂/Si ou quartz) étaient 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 (sub) pour indiquer respectivement les intensités de réflexion des échantillons et substrats nus et avons utilisé la méthode de 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 quartz). Dans les études suivantes, les contrastes optiques angulaire-dépendants de SL MoS₂ et ReS₂ sur différents substrats ont été démontrés respectivement.

Résultats et discussion

SL MoS₂ sur substrat SiO₂/Si

Nous avons d'abord mesuré les spectres de réflexion de polarisation de SL MoS₂ supporté sur substrat SiO₂/Si en faisant tourner continuellement le polariseur de 0 à 360°. Le polariseur a été tourné une fois tous les 30°. La Fig. 1a montre la variation des contrastes optiques avec les angles de polarisation de 0 à 180°. Les courbes originales se chevauchaient et les courbes traitées étaient décalées pour la clarté. Il y a deux pics à ~611 nm et ~658 nm dus aux émissions d'exciton A et B. Nous les avons sélectionnés comme références et avons montré leurs intensités avec les angles de polarisation de 0 à 360° à la Fig. 1b et c par des cercles roses et rouges, respectivement. Les intensités des deux pics sont essentiellement inchangées, ce que nous devrions prédire puisque le SL MoS₂ est symétrique hexagonalement.

SL ReS₂ sur substrat SiO₂/Si

Les spectres de réflexion de polarisation de SL ReS₂ supporté sur substrat SiO₂/Si ont été mesurés comme suit. Les courbes de contraste optique du flocon SL ReS₂ avec des angles de polarisation variables de 0 à 180° sont montrées à la Fig. 2a et sont décalées pour la clarté. Il y a un creux à ~457 nm et un pic à ~629 nm suggérant que SL ReS₂ cristallise dans une structure cristalline différente de SL MoS₂. Les intensités à ~457 nm et ~629 nm changeaient 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° à la Fig. 2b et c par des cercles roses et rouges, respectivement. Les deux intensités aux deux positions montrent une dépendance de polarisation sur les angles de polarisation, qui résulte directement de la faible symétrie cristalline dans SL ReS₂. La distorsion dans le plan du réseau SL ReS₂ est censée affecter profondément le couplage inter-couches dans les cristaux ReS₂ multicouches car une dépendance de polarisation similaire a été trouvée dans les courbes de contraste optique de flocons 2L ReS₂ empilés de type anisotrope supportés sur substrat SiO₂/Si et même dans les spectres Raman à ultra-basse fréquence et PL de flocons 2L ReS₂ empilés de type isotrope.

Nous avons ajusté la fonction des intensités à ~457 nm et ~629 nm en fonction des 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 minimale et maximale ont été lues comme 20° et 110°, respectivement, aux deux ~457 nm et ~629 nm. Les courbes ajustées ont aussi été tracées à la Fig. 2b 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 essentiellement identique avec les angles de polarisation due aux w presque égaux. Cela devrait dériver de la structure distordue dans le SL ReS₂.

SL MoS₂ sur substrat quartz

Parce que le substrat SiO₂/Si est opaque, la lumière incidente a traversé les interfaces air/échantillon et échantillon/substrat et a été finalement absorbée par le substrat. Pendant ce temps, la lumière réfléchie a été collectée 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 étaient incluses dans les signaux réfléchis sortants en plus de l'échantillon. Le substrat SiO₂/Si était un substrat polarisé bien que nous ayons utilisé la méthode de contraste optique pour normaliser les données par la formule de R_OC = 1 - R (sam + sub)/R (sub). 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 quartz en raison de la transparence et de l'isotropie du substrat quartz.

Puisque le substrat quartz est transparent, l'étage d'échantillon doit être placé en suspension pour assurer la transparence pendant la mesure. La lumière incidente a traversé les interfaces air/échantillon, échantillon/substrat, et substrat/air et a été finalement 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 Fig. 3a montre les courbes de contraste optique polarisé du flocon SL MoS₂ sur le substrat quartz avec des angles de polarisation variables de 0 à 180°. Comme on peut le voir, il y a aussi deux pics liés aux excitons A et B à ~615 nm et ~665 nm, respectivement. Leur position a un certain décalage vers les longueurs d'onde longues que celui supporté sur le substrat SiO₂/Si en raison des effets d'interférence sur différents substrats. Nous avons tracé leurs intensités avec les angles de polarisation à la Fig. 3b et c. Les intensités des deux pics sont presque sans changement à mesure que l'angle de polarisation change, ce qui indique que les propriétés isotropes dans le plan du SL MoS₂ sont inchangées lorsqu'elles sont attachées à n'importe quels substrats.

SL ReS₂ sur substrat quartz

La Fig. 4a montre les courbes de contraste optique polarisé du flocon SL ReS₂ sur le substrat quartz, dans lesquelles il y a deux creux à ~477 nm et ~641 nm, respectivement. La différence de caractéristiques entre supporté sur le substrat quartz et supporté sur le substrat SiO₂/Si est aussi due aux effets d'interférence sur différents substrats. La Fig. 4b et c montrent les intensités des deux creux 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 indépendamment des 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 minimale et maximale ont été lues comme 0° et 90°, respectivement, aux deux ~477 nm et ~641 nm. Les courbes ajustées ont aussi été tracées à la Fig. 4b et c avec des lignes bleues. Le w est essentiellement identique aux deux ~477 nm et ~641 nm et presque égal à celui à ~457 nm et ~629 nm des flocons SL ReS₂ supportés sur substrat SiO₂/Si, ce qui signifie que les propriétés polarisées dans les flocons SL ReS₂ exhibent une tendance de changement dans la fonction sin ou cos à mesure que l'angle de polarisation change de 0 à 360° et la période est uniforme lorsqu'ils sont attachés à n'importe quels substrats.

Conclusions

En conclusion, SL MoS₂ et ReS₂ sur substrat SiO₂/Si et sur substrat quartz ont été étudiés par spectres de réflexion de polarisation, qui identifient une isotopie dans le plan significative dans SL MoS₂ due à une structure hexagonale et une anisotropie dans le plan dans SL ReS₂ due à une structure distordue additionnelle avec une structure hexagonale. Selon les courbes de contraste optique polarisé avec les angles de polarisation, il y a quelques pics ou creux dépendants de la longueur d'onde dans SL MoS₂ et ReS₂ prédits par différentes structures cristallines. La variation des intensités aux pics ou creux avec les angles de polarisation confirme l'existence de différentes propriétés dépendantes de l'angle dans SL MoS₂ et ReS₂. Les mêmes propriétés existent dans certains matériaux 2D SL 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 y a beaucoup d'autres matériaux 2D SL qui ont d'autres types de structures de réseau asymétriques, tels que BP et SnSe, qui ont des feuilles en nid d'abeille fortement bombées avec des « creux » s'étendant le long de l'axe y. Ces échantillons pourraient aussi montrer des caractéristiques anisotropes. Cela implique que certains nouveaux dispositifs électroniques dépendants de la polarisation pourront bientôt être réalisés et promus en considérant la grande variété d'échantillons.