SiO₂/Si 및 석영 기판 위 단일층 MoS₂와 ReS₂ 편광 의존 반사 스펙트럼

요약

MoS₂와 ReS₂는 우수한 전기적, 광학적 특성을 가진 대표적인 전이 금속 칼코게나이드입니다. 서로 다른 격자 대칭성으로 인해 ReS₂는 MoS₂보다 물리적 특성 조절에 차원을 하나 더 제공합니다. 본 논문에서는 단일층 MoS₂와 ReS₂의 편광 반사 스펙트럼을 연구했습니다. 명백한 차이는 단일층 ReS₂가 단일층 MoS₂와 구별되는 강한 각도 의존 특성을 가짐을 보여줍니다. SiO₂/Si 기판과 석영 기판 위 시료 결과 모두 단일층 ReS₂가 면내 이방성임을 보이며, 반사 강도 변화 주기가 편광 각도로 추정됩니다.

서론

그래핀 연구 급속한 발전은 다른 여러 2차원 층상 물질에 대한 관심을 자극했습니다. 최근 전이 금속 디칼코게나이드(TMDs)는 놀라운 전자적, 광학적 특성 관측으로 상당한 주목을 받았습니다[1-3]. 이 TMD 결정체는 그래핀 박리처럼 기계적 박리법으로 단일층 두께까지 성장하거나 박리할 수 있습니다. 그러나 그래핀과 달리 단일층 TMDs는 한 가지 이상의 원소로 구성돼 물리적 특성이 그래핀보다 복잡합니다. TMDs 중 MoS₂가 가장 광범위하게 연구되었으며, 한 Mo 평면이 두 S 평면 사이에 샌드위치된 보통 2H 구조를 가집니다[4]. MoS₂ 같은 고대칭 육각 구조와 달리 ReS₂ 같은 또 다른 종류의 TMDs는 왜곡된 1T'-구조를 보여 많은 관심을 끌고 있습니다[5]. 위아래 S 원자가 중간 Re 원자 층을 육각 구조로 샌드위치하며 추가적인 파일스 왜곡을 가집니다[5]. 이는 레늄 원자가 여분의 원자가 전자 하나를 가져 ReS₂에서 추가 Re-Re 결합 형성을 유도하기 때문입니다(단일층 MoS₂와 ReS₂ 원자 구조도는 추가 파일 1: Figure S1 참조). ReS₂ 대칭성 감소는 유의미한 면내 이방성을 유도하며 추가 자유도를 제공해 ReS₂를 FET와 편광 민감 포토디텍터 제작에 흥미로운 물질로 만듭니다[5, 6]. 본 논문에서는 단일층(약자 SL) MoS₂와 ReS₂ 플레이크 편광 특성을 SiO₂/Si와 석영 기판에서 각도 의존 반사 스펙트럼 측정으로 탐구했습니다. 결과는 강한 이방성 층상 물질에서 새로운 효과를 밝히고 결정 방향 경험적 식별에 활용될 수 있습니다.

재료 및 방법

본 논문에서 사용된 서로 다른 층수 MoS₂와 ReS₂ 플레이크는 벌크 MoS₂와 ReS₂ 결정에서 미세기계적 박리법으로 박리해 기판 위에 준비했습니다. 시료와 기판 간 상호작용이 다르고 기판 영향이 실험 결과에 미칠 수 있어 두 기판을 선택했습니다: 89 nm SiO₂ 덮인 Si {100} 기판과 1 mm 두께 석영 결정으로 MoS₂와 ReS₂ 플레이크 지지(추가 파일 1: Figure S2에 SL MoS₂와 SL ReS₂ 플레이크 광학 현미경 이미지). SL 디칼코게나이드 두께는 0.6-0.7 nm로 측정 기기 정확도에 극히 민감합니다. 초저주파 라만 분광법[7, 8](추가 파일 1: Figure S3 SL MoS₂와 SL ReS₂ 초저주파 라만 스펙트럼)과 광발광(PL) 분광법[8, 9](추가 파일 1: Figure S4 SL MoS₂와 SL ReS₂ PL 스펙트럼)으로 SL MoS₂와 ReS₂ 플레이크를 정확히 판별했습니다.

반사 스펙트럼 측정은 Jobin-Yvon HR800 마이크로 라만 시스템으로 후산란 기하학에서 수행했습니다. 텅스텐 할로겐 램프를 광원으로 사용해 스팟 크기 2 μm 이하로 했습니다. ×100 대물렌즈(NA=0.9)로 5 μm 이상 시료 크기에서 측정 정확도 보장. 현미경 초점 조절로 최대 피크 강도 얻어 최적 반사광 신호 달성. 반사 스펙트럼은 시료와 베어 기판에서 400-800 nm 광파장 범위 측정. 600 lines/mm 그레이팅으로 CCD 픽셀당 1 nm 커버. 편광자를 시료 앞 광로에 배치. 편광자를 0-360° 연속 회전해 입사광과 반사광 편광 방향을 편광 각도 0-360°로 동시 변화. 편광자 회전 각도에서 시료(SL MoS₂ 또는 SL ReS₂)와 기판(SiO₂/Si 또는 석영) 반사 스펙트럼 1회 측정. 모든 편광 반사 스펙트럼은 램프 강도 불변 조건에서 측정. R(sam+sub)와 R(sub)로 각각 시료와 베어 기판 반사 강도 표시, 광학 대비법으로 데이터 정규화: R_OC = 1 - R(sam+sub)/R(sub) (기판 SiO₂/Si) 또는 R_OC = R(sam+sub)/R(sub) - 1 (기판 석영). 이후 SL MoS₂와 ReS₂ 각도 의존 광학 대비를 서로 다른 기판에서 각각 보였습니다.

결과 및 논의

SiO₂/Si 기판 위 SL MoS₂

먼저 편광자를 0-360° 연속 회전해 SiO₂/Si 기판 위 SL MoS₂ 편광 반사 스펙트럼 측정. 편광자 30°마다 1회 회전. 그림 1a는 0-180° 편광 각도에 따른 광학 대비 변화. 원본 곡선 중첩돼 처리된 곡선 오프셋으로 명료화. A, B 엑시톤 방출로 인한[10, 11] ~611 nm, ~658 nm 두 피크 존재. 이들을 참조로 0-360° 편광 각도 강도 변화 그림 1b, c에 분홍, 빨간 원으로 표시. 두 피크 강도 기본적으로 변하지 않음. SL MoS₂ 육각 대칭성으로 예상된 결과.

a SiO₂/Si 기판 위 SL MoS₂ 플레이크 편광 광학 대비 곡선. b ~611 nm 강도 변화 0-360°. c ~658 nm 강도 변화 0-360°

SiO₂/Si 기판 위 SL ReS₂

SiO₂/Si 기판 위 SL ReS₂ 편광 반사 스펙트럼 측정. 0-180° 편광 각도 변화 SL ReS₂ 플레이크 광학 대비 곡선 그림 2a, 오프셋 표시. ~457 nm 골, ~629 nm 피크 존재[12]로 SL ReS₂가 SL MoS₂와 다른 결정 구조로 결정화됨 시사. ~457 nm, ~629 nm 강도 편광 각도 변화에 따라 변함. 참조로 0-360° 편광 각도 강도 변화 그림 2b, c 분홍, 빨간 원 표시. 두 위치 강도 모두 편광 각도 의존성 보임. 이는 SL ReS₂ 낮은 결정 대칭성 직접 결과. SL ReS₂ 격자 면내 왜곡은 다층 ReS₂ 결정 간층 결합에 심대한 영향 예상. 유사 편광 의존성 SiO₂/Si 기판 위 이방성 적층 2L ReS₂ 플레이크 광학 대비 곡선[12]과 등방성 적층 2L ReS₂ 초저주파 라만, PL 스펙트럼[8]에서도 발견.

a SiO₂/Si 기판 위 SL ReS₂ 플레이크 편광 광학 대비 곡선. b ~457 nm 강도 변화 0-360°. c ~629 nm 강도 변화 0-360°

~457 nm, ~629 nm 강도와 편광 각도 관계 1차 푸리에 공식으로 피팅: f(θ)=a₀+a₁×cos(θ×w)+b₁×sin(θ×w). θ 편광 각도, a₀, a₁, b₁ 진폭, w 주파수. 최소/최대 강도 위치 ~457 nm, ~629 nm 모두 20°, 110° 읽힘. 피팅 곡선 그림 2b, c 파란 선 표시. ~457 nm: a₀=8.269, a₁=-4.878, b₁=-4.585, w=0.0348. ~629 nm: a₀=34.27, a₁=-5.99, b₁=-4.747, w=0.03525. 거의 동일한 w로 편광 각도 변화 주기 기본 동일. SL ReS₂ 왜곡 구조 기인.

석영 기판 위 SL MoS₂

SiO₂/Si 기판 불투명해 입사광이 공기/시료, 시료/기판 계면 통과 후 기판 흡수. 반사광 각 계면서 수집돼 최종 공기 전달. 다층 구조 광학 간섭 발생, 기판 물리적 특성도 시료 외 나가는 반사 신호 포함[12]. SiO₂/Si 기판 편광 기판이나 광학 대비법 R_OC = 1 - R(sam+sub)/R(sub) 공식으로 데이터 정규화했으나 편광 특성 교란 제거 위해 투명하고 등방성인 석영 기판 위 SL MoS₂, ReS₂ 편광 반사 스펙트럼 측정.

석영 기판 투명해 시료 스테이지 현수 배치해 측정 중 투명성 보장. 입사광 공기/시료, 시료/기판, 기판/공기 계면 통과 후 공기 흡수로 반사광 수집 방해 방지. R_OC = R(sam+sub)/R(sub) - 1 공식 데이터 정규화. 그림 3a 석영 기판 위 SL MoS₂ 플레이크 편광 광학 대비 곡선 0-180° 편광 각도 변화. ~615 nm, ~665 nm A, B 엑시톤 관련 두 피크 존재. SiO₂/Si 기판 위보다 장파장 측 이동. 간섭 효과 기인[11]. 강도 편광 각도 변화 그림 3b, c 플롯. 두 피크 강도 편광 각도 변화에 거의 변화 없음. SL MoS₂ 면내 등방성 특성 기판 부착 불문 불변.

a 석영 기판 위 SL MoS₂ 플레이크 편광 광학 대비 곡선. b ~615 nm 강도 변화 0-360°. c ~665 nm 강도 변화 0-360°

석영 기판 위 SL ReS₂

그림 4a 석영 기판 위 SL ReS₂ 플레이크 편광 광학 대비 곡선. ~477 nm, ~641 nm 두 골 존재. 석영 기판 위와 SiO₂/Si 기판 위 특징 차이도 기판 간섭 효과 기인[11]. 그림 4b, c 두 골 강도 편광 각도 변화. 둘 다 편광 각도 의존성 보임. SL ReS₂ 기판 불문 면내 이방성 나타냄. ~477 nm, ~641 nm 강도-편광 각도 관계 1차 푸리에 공식 피팅: f(θ)=a₀+a₁×cos(θ×w)+b₁×sin(θ×w). ~477 nm: a₀=0.3168, a₁=-0.02215, b₁=-0.0004139, w=0.03422. ~641 nm: a₀=0.2941, a₁=-0.06608, b₁=-0.005685, w=0.0349. 최소/최대 강도 위치 ~477 nm, ~641 nm 모두 0°, 90° 읽힘. 피팅 곡선 그림 4b, c 파란 선 표시. w 기본 동일 ~457 nm, ~629 nm SiO₂/Si 위 SL ReS₂ w와 거의 같음. SL ReS₂ 플레이크 편광 특성 편광 각도 0-360° 변화 시 sin/cos 함수 경향 보이며 주기 균일. 기판 불문.

a 석영 기판 위 SL ReS₂ 플레이크 편광 광학 대비 곡선. b ~477 nm 강도 변화 0-360°. c ~641 nm 강도 변화 0-360°

결론

결론적으로 SiO₂/Si 기판과 석영 기판 위 SL MoS₂, ReS₂ 편광 반사 스펙트럼 연구로 SL MoS₂ 육각 구조 기인 유의미한 면내 등방성, SL ReS₂ 추가 왜곡 구조 기인 면내 이방성 확인. 편광 각도 따른 편광 광학 대비 곡선에서 서로 다른 결정 구조 예측 파장 의존 피크/골 존재. 피크/골 강도 편광 각도 변화로 SL MoS₂, ReS₂ 서로 다른 각도 의존 특성 존재 확인. MoS₂와 유사 구조 WS₂, MoSe₂, WSe₂ 등 SL 2D 물질도 동일 특성 가짐. ReS₂와 유사 구조 ReSe₂, WTe₂ 등도 마찬가지. BP, SnSe 등 강하게 버클된 허니콤 시트 '골'이 y축 따라 진행하는 다른 비대칭 격자 구조 가진 SL 2D 물질도 많음. 이들 시료도 이방성 특성 보일 수 있음. 다양한 시료 고려 시 새로운 편광 의존 전자 소자 곧 실현·보급될 것 시사.

데이터 및 재료 가용성

SL MoS₂, SL ReS₂ 플레이크 벌크 결정서 미세기계적 박리법 박리, 89-nm SiO₂ 덮인 Si {100} 기판과 1 mm 두께 석영 결정 두 기판 제조, 초저주파 라만 분광법과 PL 분광법으로 식별. 반사 스펙트럼 측정 Jobin-Yvon HR800 마이크로 라만 시스템 후산란 기하학 수행. 텅스텐 할로겐 램프 광원 사용. 편광자 시료 앞 광로 배치. 편광자 0-360° 연속 회전으로 시료, 기판 편광 반사 스펙트럼 측정, 광학 대비법 데이터 정규화.

약어

PL:

광발광

SL:

단일층

TMDs:

전이 금속 디칼코게나이드