이황화 텅스텐

 2D 재료는 독특한 광전자적 특성으로 인해 새롭게 주목받는 박막 결정의 한 종류입니다. 이 클래스에서 가장 먼저 주목을 받은 것은 그래핀이었으며, 현재는 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)라고 하는 무기 2D 재료가 인기를 얻고 있습니다. 이 분야에서 가장 일반적으로 연구되는 물질은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2입니다. 이러한 물질은 벌크 형태에서는 간접 밴드 갭을 갖지만 단층 및 소수층 결정으로 성장하면 직접 밴드 갭 반도체가 됩니다. 특히 이러한 특성으로 인해 광전자 소자에 대한 물리적 특성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

2D TMD의 층 수, 변형률, 결함 및 도핑을 식별하는 것은 이러한 재료를 성공적으로 사용하기 위해 매우 중요합니다. 라만 및 광발광(PL) 현미경은 이러한 중요한 영역에서 매우 상세한 샘플 정보를 제공할 수 있습니다. 532nm 여기는 2D TMD에서 라만 및 PL 스펙트럼을 모두 제공하며, 복잡한 샘플 평가를 위해 해당 대역을 분석할 수 있습니다.

Figure 1: Raman intensity map (left) and representative spectra (right) from a WS2 crystal at areas of different layer thickness.

WS2는 이 범주의 다른 재료와 공유하는 특성뿐만 아니라 강력한 열 안정성 및 양극성 전계 변조 동작과 같은 추가적인 이점도 제공하는 흥미로운 2D TMD입니다. 라만 스펙트럼의 주요 관심 대역은 각각 평면 내 진동과 평면 외 진동을 대표하는 E12g 및 A1g 모드입니다. 층의 수가 증가함에 따라 이러한 대역의 라만 강도도 증가하므로 WS2 결정을 이미징하면 층 두께 증가를 나타내는 더 높은 강도의 영역이 나타납니다(그림 1).

Figure 2: PL intensity map from a WS2 crystal.

PL 매핑은 특히 레이어 수에 민감합니다. 실제로 PL 피크는 WS2의 얇은 층을 얻을 때만 나타나며, 벌크 물질은 PL을 생성하지 않습니다. 이러한 결정은 특히 크고 결정의 영역에서 PL이 거의 또는 전혀 생성되지 않아 직접 밴드 갭을 잃기 시작하는 WS2의 두꺼운 층을 나타냅니다(그림 2). 단층 및 다층 WS2의 영역을 나타내는 샘플을 볼 때 PL 강도는 층 평가에 쉽게 사용할 수 있습니다. 그림 3은 이러한 경우를 자세히 보여주는데, 반사된 명시야 이미지(그림 3(a)는 중앙에 여러 층의 WS2가 있는 것처럼 보이는 삼각형을 보여줍니다. PL 강도 맵을 플로팅하면 중앙에 PL 응답이 없으므로 중앙에 더 두꺼운 WS2 층이 존재한다는 것을 알 수 있습니다(그림 3(b)).

Figure 3: Analysis of a WS2 crystal – (a) brightfield reflected image (b) PL intensity map (c-d) PL spectra from an area of monolayer and multilayer WS2, highlighting intensity and peak position respectively.

그림 3(b)는 또한 샘플의 바깥쪽 삼각형에서 PL 강도의 변화를 보여 주며, 이는 단층 및 다층 WS2를 나타냅니다. 그림 3(c)에는 단층 영역과 다층 WS2 영역 간의 강도 차이를 그래프로 표시하여 두 영역 간의 현저한 강도 차이를 강조했습니다. PL 피크 위치의 변화도 그림 3(d)에서 볼 수 있는데, 샘플이 단층이 되면 다층 WS2 영역에 비해 피크가 적색 이동합니다(간단한 비교를 위해 스펙트럼이 정규화되었음을 참고하세요.

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