Идентификация слоев сульфида молибдена MoS2
Графен представляет собой двумерный кристалл атомов углерода и имеет особенности конусообразной зонной структуры с высокой подвижностью носителей и высокой прозрачностью, а с момента своего первого доклада в 2004 году ему уделялось много внимания [1, 2]. Одним из результатов исследований графена является то, что, контролируя количество слоев, можно получить совершенно новые физические свойства. Эта идея была применена не только к графену, но и к дихалькогенидам переходных металлам, таким как MoS2 и WS2 [3].
Дисульфид молибдена MoS2 представляет собой тип дихалькогенида переходного металла и слои двумерных кристаллов слабо связаны силами Ван-дер-Ваальса. Известно, что объемный MoS2 имеет зонную структуру непрямого переходного типа, тогда как MoS2 в однослойном двумерном кристалле имеет зонную структуру прямого перехода [4]. Кроме того, MoS2 имеет запрещенную зону и высокую подвижность электронов, поэтому он привлекает внимание с точки зрения применения в полупроводниковых устройствах, таких как транзисторы [5]. Оценка количества слоев важна для изучения изменений физических свойства и применения в полупроводниковых приборах. Рамановская спектроскопия, наряду с АСМ и оптической микроскопиями, является основным методом измерения для определения количества слоев [4].
Изображение ниже представляет собой комбинационное изображение тонкой пленки MoS2, подготовленной на кремниевой подложке путем отслаивания пленки. Рамановская спектроскопия может быть использована для визуализации количества слоев для образцов с различными слоями в зависимости от местоположения.Спектры комбинационного рассеяния были измерены в 12000 точках, и количество слоев в каждой точке было оценено для создания комбинационного изображения. Красный представляет два слоя, а зеленый представляет три или более слоев MoS2. Количество слоев двух или более можно определить по положению рамановского пика следующим образом.
Рамановское изображение многослойной тонкой пленки MoS2:
■ : интенсивность пика 404 см-1
■ : интенсивность пика 409 см-1
| Длина волны лазера | 532 нм |
| Объектив | 100x N.А. = 0,9 |
| Количество спектров | 12000 |
| Время измерения | 15 мин |
На рисунке показан спектр комбинационного рассеяния, усредненный в выбранной области. Количество слоев определяли по положениям пиков около 385 см-1 и 408 см-1 в этом спектре комбинационного рассеяния. В MoS2 положение пика при 385 см-1 сдвигается в сторону более низкого волнового числа, а пик при 408 см-1 сдвигается в сторону более высокого волнового числа по мере увеличения числа слоев. Положение пика четко меняется от одного слоя к четырем слоям, но его трудно отличить от объемного слоя с пятью или более слоями. В этом примере идентифицируется от двух до четырех слоев, но можно четко различить один слой MoS22. Анализ смещения рамановского пика меньше субмикрона является возможным только для оборудование RAMANtouch, которое имеет высокое пространственное разрешением и точность определения положения пика.
Спектр комбинационного рассеяния многослойной тонкой пленки MoS2 в зависимости от количества слоев.
Как показано на рисунке ниже, изменение количества слоев в каждой позиции может быть подтверждено путем отображения положение пика. Кроме того, на изображении с оптического микроскопа части из пяти или более слоев выглядят слегка белыми, но слои из четырех или менее слоев невозможно различить.
Анализ сдвига рамановского пика A1g (408 см-1) и изображение оптического микроскоп.
*Образец был предоставлен профессором Казушиге Мацуда и исследователем Синичиро Мохри из Киотского университета.
Об изменении спектра комбинационного рассеяния с увеличением количества слоев
Мода E12g (пик при 385 см-1)
Увеличение силы Ван-дер-Вальса из-за количества слоев оказывает незначительное влияние, а вызванные изменения структуры и дальнейшее межслойное кулоновское взаимодействие на больших расстояниях вызывают изменения в атомных колебаниях и считается доминирующим [6, 7].
Мода A1g (пик при 408 см-1)
Атомные колебания в вертикальном направлении на плоскости. По мере увеличения числа слоев сила Ван-дер-Вальса увеличивается, и колебания атомов между гранями подавляются, в результате чего положение пика смещается в сторону более высокого волнового числа [6, 7].
Смещение атомов для колебательных мод MoS2.
Литература:
[1] ”Electric field effect in atomically thin carbon films”, K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, D.Jiang, Y.Zhang, S.V.Dubonos, I.V.Grigorieva, A.A.Firsov, Novoselov et al.,Science | vol306, 666-669 | October 2004
[2] ”The rise of graphene”, A.K.Geim, K.S.Novoselov, Nature Materials | vol6, 183-191 | 2007
[3] ”Two-dimensional atomic crystals”, Kin Fai Mak, Changgu Lee, James Hone, Jie Shan, and Tony F. Heinz, PNAS vol102, 10451-10453 | July 2005
[4] ”Atomically Thin MoS2: A New Direct-Gap Semiconductor”, K.S.Novoselov, D.Jiang, F.Schedin, T.J.Booth, V.V.Khotkevich, S.V.Morozov, A.K.Geim, PHYSICAL REVIEW LETTERS | vol105, 136805-136808 | September 2010
[5] ”Single-layer MoS2 transistors”, B. Radisavljevic , A. Radenovic , J. Brivio , V. Giacometti and A. Kis, NATURE NANOTECHNOLOGY | vol6, 147-150 | January 2011
[6] ”From Bulk to Monolayer MoS2: Evolution of Raman Scattering”, Hong Li, Qing Zhang, Chin Chong Ray Yap, Beng Kang Tay, Teo Hang Tong Edwin, Aurelien Olivier, Dominique Baillargeat, ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS | vol22, 1385-1390 | April 2012
[7] ”Anomalous Lattice Vibrations of Single- and Few-Layer MoS2“, Changgu Lee, Hugen Yan, Louis E. Brus, Tony F. Heinz, James Hone and Sunmin Ryu, ACS NANO | vol4, 2695-2700 | April 2010