牛津仪器在线商城

应用分享| 原子级别二维半导体材料的光学表征

发布日期:2021-02-23 00:00

;

自从石墨烯的发现以来,过去十多年来厚度为原子级别的准二维材料成为科研界和产业界的研究热点1。二维材料表现出非常独特的基本性质,与相应的块状或多层性质的物质有很大的不同,其相关的研究已经拓展到功能器件研究开发上。迄今为止,研究最好的材料来自于过渡金属二卤族(TMDs)化合物。这些材料以化学式MX2的形式存在,其中包括1IV, V或者 VI族过渡金属原子M(如,Ti, V, Mo),和硫族原子(如,SSeTe)。从结构上看,TMDs中的很多材料都是层状分布的,强结合单原子层通过弱范德华力结合在一起形成晶体,因此使用机械剥落成为了制备单层材料的常用方式。

 

过渡金属硫化物MX2的晶体结构

 

MX2的晶体机构由两层六方密排X原子层及其中间的六方密排M原子组成,如图1a)所示。这些X-M-X单元构筑的单层结构(1L),通过范德华力紧密结合成具有2H对称的多层结构。通常来讲,机械剥落的片状单层材料的厚度在0.7nm左右,大小在几个mm2,块状材料与单层材料的光学性质区别非常明显,例如,块状MoTe2是间接带隙为1.0eV的半导体;而单层材料被证明是带隙为1.095eV的间接带隙型半导体2,相应的光致发光的峰值在1132nm左右,此光谱区间已经超过硅基探测器的检测范围(最大为1100nm),因此InGaAs基探测器非常适合原子级单层MoTe2的光学响应探测。

 

实验装置

 

2 实验装置

 

机械剥落的单层的MoTe2样品置于石英载玻片上,用于测量材料样品光致发光(PL)特征光谱的显微PL装置如图2所示,使用固态连续532nm激光器激发样品发光,激光通过100NA值为0.95的物镜聚焦到样品上,样品的光致发光由相同的物镜接收,系统中物镜的NA需要尽量的高以采集到尽量多的光学信号;然而,由于样品体积较小,并且受到样品损伤阈值给予的激发功率的限制,单层材料的PL信号依然很低。该系统的PL信号由shamrock SR-193i-B1-SIL光谱仪(配有150l/mm的银制光栅,闪耀波长为1200nm)和光电二极管阵列(iDus InGaAs DU490A-1.7)接受并分析,光谱仪的前面会单独添加滤光片阻挡来自激发光的信号。

实验结果

 

3中给出了单层MoTe2的光致发光曲线。此时激光的功率为8mW,光谱数据来自于曝光时间为50并且四次累加后的结果,光谱相机iDus InGaAs DU490A-1.7的制冷温度为-60,如此低的制冷温度有效地降低了长达50秒时间内带来的暗电流背景噪声。光致发光发射曲线的最大值位于1.09eV,非常接近于理论预期的带隙宽度。由此光致发光曲线非常明显看到,虽然光致发光信号非常的弱,借助于InGaAs光电二极管阵列的高量子效率和深度制冷带来的低噪音特性,通过提高采集时间,Andor提供的光致发光采集系统依然能够得到较高信噪比PL曲线。

 


单层MoTe2的光致发光信号

 

非常感谢多特蒙德理工大学的Claudia Ruppert博士

 

 

参考文献:



  1. Butler, S. Z.; Hollen, S. M.; Cao, L.; Cui, Y.; Gupta, J. A.; Gutiérrez, H. R.; Heinz, T. F.; Hong, S. S.; Huang, J.; Ismach, A. F.; Johnston-Halperin, E.; Kuno, M.; Plashnitsa, V. V.; Robinson, R. D.; Ruoff, R. S.; Salahuddin, S.; Shan, J.; Shi, L.; Spencer, M. G.; Terrones, M.; Windl, W.; Goldberger, J. E. ACS Nano 2013, 7 (4), 2898– 2926.
  2. Ruppert, C.; Aslan, O. B.; Heinz, T. F. Nano Lett. 2014, 14 (11), 6231–6236.

 

 

欢迎关注牛津仪器

The Business of Science

 

 

400 678 0609  |  www.oxinst.cn

 

在线客服

购物车

返回顶部