原子薄二维半导体的光学表征

自石墨烯发现以来，原子薄的准二维材料在过去十年中得到了非常激烈的研究。¹它们通常表现出非常独特的基本性质，与相应的块状或多层形式有很大不同，研究已经扩展到它们在功能器件中的应用。迄今为止研究得最好的材料是过渡金属二卤属化合物(TMDs)家族的成员。这些材料的化学式为MX2，由IV族、V族或VI族过渡金属M(如Ti、V、Mo)和硫族原子X (S、Se、Te)组成。许多这些tmd具有层状结构，其中强结合的原子薄片被弱范德华力结合在一起，形成晶体，这极大地促进了通过机械剥离分解成单层。

图1:MX2基过渡金属二卤属化合物的晶体结构。

MX2的晶体结构是由M原子的六角形薄片夹在X原子的两个六角形平面之间，具有三角形的棱柱配位[图1 (a)]。这些X-M-X单元通常被称为单层(1L)，由范德华力保持在一起，并以2H对称堆叠[图1 (b)]。一般来说，单层的厚度约为0.7 nm，薄片尺寸在几微米的范围内²用于机械剥落的标本。在这些tmd的组内批量MoTe₂是一种间接带隙约1.0 eV的半导体。对于单分子层，已发现1.095 eV的直接光学带隙由于这种光谱范围接近或超过硅探测器的能力，使用基于InGaAs的技术来表征MoTe的原子薄膜₂更合适。

实验装置

样品由单层或几层MoTeTe组成₂在石英衬底上机械剥落的。为了表征这些样品的光致发光(PL)，它们被嵌入到图2所示的µ-PL设置中。为了激发，用100 x 0.95NA显微镜物镜将波长为532 nm的固态激光聚焦到样品上，从而产生衍射限制光斑大小。从样品中收集PL是通过相同的物镜在反射几何中实现的。在这里，高NA目标是收集尽可能多的排放。由于材料体积小，且试样损伤阈值给出的激发功率有限，单分子层的PL发射强度很低。PL由一个光谱仪(Shamrock SR-193i-B1-SIL)检测，该光谱仪配备了一个150 l/mm (1200 nm火焰波长)的银光栅和一个光电二极管阵列(iDus InGaAs DU490A-1.7)。在分光计的前面有一个滤光片用来阻挡来自激发激光的辐射。

图2:实验设置

实验结果

图3显示了单层MoTeTe的PL₂样本。单分子层激发功率为8 μ W。数据的积分时间为50 s，累积了4个光谱。相机已经冷却到零下60°C。PL发射的最大值在1.09 eV，非常接近预期的光学带隙。显然，样品的PL强度很弱。由于InGaAs光电二极管阵列的高量子效率和它的低噪声冷却后，PL仍然可以在合理的采集时间内测量。

图3:单层MoTeTe的光致发光₂．

致谢

感谢Claudia Ruppert博士，Experimentelle Physik 2, Technische Universität多特蒙德。

参考文献

[1]巴特勒，s.z.;霍伦，s.m.;曹,l;崔,y;古普塔，j.a.;Gutiérrez, h.r.;亨氏，t.f.;Hong, s.s.;黄,j .;伊斯马赫，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]鲁珀特C.;阿斯兰，o.b.;王晓明，王晓明，王晓明。2014,30(6):666 - 666。